Singleton: Chocolate Factory và an toàn đa luồng

Giới thiệu

Bài này học cách giữ đúng 1 thực thể duy nhất. Bạn tránh tạo 2 nồi sô cô la.

Kiến thức cần nhớ

Singleton là gì

• Đảm bảo lớp chỉ có 1 thực thể.
• Chặn đường tạo mới từ bên ngoài.
• Mở 1 cổng chung để mọi người lấy.
• Ví dụ đời thường: cả nhà dùng chung 1 nồi.

Nồi sô cô la và đa luồng

• Nồi có 3 trạng thái rỗng, đang đun, xong.
• 2 nồi cùng chạy thì mẻ hỏng.
• 2 luồng cùng tạo lúc chưa có thì ra 2 nồi.
• Ví dụ đời thường: 2 người cùng bật bếp khác nhau.

Ba cách chống 2 nồi

• Đúc sẵn khi nạp lớp, đơn giản nhất.
• Khóa cả cổng, chắc nhưng chậm.
• Kiểm tra kép, nhanh nhưng khó viết đúng.
• Ví dụ đời thường: khóa cửa kho chung.

Cách cài an toàn luồng trong từng ngôn ngữ

• Java: khóa kiểm tra kép phải có volatile cho biến thực thể, thiếu thì luồng khác có thể thấy đối tượng dựng dở.
• Java: enum một phần tử là cách gọn nhất, JVM tự đảm bảo duy nhất và an toàn luồng.
• C++11 trở lên: biến static cục bộ trong hàm (Meyers singleton) được khởi tạo an toàn luồng, không cần tự khóa.
• Singleton về bản chất là biến toàn cục có kiểm soát. Nó làm khó kiểm thử, nên cân nhắc truyền phụ thuộc qua constructor.

Ví dụ

• Input: gọi cổng 2 lần liên tiếp. Output: cùng 1 nồi, đổ đầy lần 1 thì lần 2 thấy.
• Giải thích: cổng trả đúng thực thể duy nhất.

💻 Bài tập

Ngôn ngữ: C++17 (có std::thread, std::mutex). Nộp vào day-019/.

Bài 1: Nồi sô cô la

class ChocolateBoiler {
 public:
  static ChocolateBoiler &instance();
  ChocolateBoiler(const ChocolateBoiler &) = delete;
  ChocolateBoiler &operator=(const ChocolateBoiler &) = delete;
  void fill();    // chỉ khi rỗng
  void boil();    // chỉ khi đầy và chưa đun
  void drain();   // chỉ khi đầy và đã đun
  bool isEmpty() const; bool isBoiled() const;
 private:
  ChocolateBoiler();
};

&instance() == &instance()          -> true
fill; boil; drain                   -> hợp lệ, cuối cùng isEmpty = true
fill; fill                          -> lần 2 ném logic_error
ChocolateBoiler b;                  -> KHÔNG biên dịch được

Bài 2: Ba biến thể và kiểm tra đa luồng

Viết 3 biến thể getInstance() cho lớp Registry:

1. Eager: biến static khởi tạo sẵn.
2. Lock toàn bộ: std::mutex khóa mỗi lần gọi.
3. Meyers singleton: static Registry r; trong hàm (C++11 đảm bảo an toàn luồng).

Constructor tăng một biến đếm std::atomic<int> created và sleep 50 ms. Tạo 16 luồng cùng gọi getInstance(). Kiểm tra created == 1 cho cả 3 biến thể.

Viết thêm biến thể sai cố ý: kiểm tra if (ptr == nullptr) ptr = new Registry(); không khóa. Chạy 100 lần, ghi lại số lần created > 1.

Đo thời gian 10^7 lần gọi getInstance() cho biến thể 2 và 3.

Bài 3: Bỏ Singleton để dễ test (nâng cao)

Cho lớp Logger dùng Singleton, được gọi trực tiếp trong OrderService::place().

1. Viết test cho OrderService và ghi lại lý do test khó: không thay được logger, trạng thái rò giữa các test.
2. Refactor: OrderService nhận Logger& qua constructor. Viết FakeLogger ghi log vào vector.
3. Viết test kiểm tra place() ghi đúng 1 dòng log.

✅ Tiêu chí hoàn thành

• Test mẫu Bài 1 pass, dòng tạo trực tiếp không biên dịch được.
• Bài 2 có kết quả chạy 16 luồng và số lần biến thể sai tạo 2 thực thể.
• Build với -fsanitize=thread không báo data race ở 3 biến thể đúng.
• Bài 3 có test dùng FakeLogger pass.

❓ Câu hỏi ôn tập

• Singleton đảm bảo điều gì?
• Vì sao đa luồng tạo ra 2 nồi?
• Ba biến thể khác nhau thế nào?
• Khi nào không nên dùng Singleton?

🌕 Bạn đã hoàn thành ngày 19. Làm hết bài tập phía trên rồi sang ngày tiếp theo.