C++ 线程安全的单例模式

技术专帖

前言

       单例模式（Singleton Pattern）是最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。

饿汉模式

       使用饿汉模式实现单例是十分简单的，并且有效避免了线程安全问题，因为将该单例对象定义为static变量，程序启动即将其构造完成了。代码实现：

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class Singleton
{
public:
    static Singleton* GetInstance()
    {
        return singleton_;
    }
    static void DestreyInstance()
    {
        if(singleton_ != nullptr)
        {
            delete singleton_;
        }
    }
private:
    // 防止外部构造。
    Singleton() = default;
    // 防止拷贝和赋值。
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
    Singleton(const Singleton& singleton2) = delete;
private:
    static Singleton* singleton_;
};
Singleton* Singleton::singleton_ = new Singleton;
int main()
{
    Singleton* s1 = Singleton::GetInstance();
    std::cout << s1 << std::endl;
    Singleton* s2 = Singleton::GetInstance();
    std::cout << s2 << std::endl;
    Singleton.DestreyInstance();
    return 0;
}

懒汉模式

       饿汉方式不论是否需要使用该对象都将其定义出来，可能浪费了内存，或者减慢了程序的启动速度。所以使用懒汉模式进行优化，懒汉模式即延迟构造对象，在第一次使用该对象的时候才进行new该对象。
       而懒汉模式会存在线程安全问题，最出名的解决方案就是Double-Checked Locking Pattern (DCLP)。使用两次判断来解决线程安全问题并且提高效率。代码实现：

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#include <iostream>
#include <mutex>
class Singleton
{
public:
    static Singleton* GetInstance()
    {
        if(instance_ == nullptr)
        {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
            if(instance_ == nullptr)
            {
                instance_ = new Singleton;
            }
        }
        return instance_;
    }
    ~Singleton() = default;
    // 释放资源。
    void Destroy()
    {
        if(instance_ != nullptr)
        {
            delete instance_;
            instance_ = nullptr;
        }
    }
    void PrintAddress() const
    {
        std::cout << this << std::endl;
    }
private:
    Singleton() = default;
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
private:
    static Singleton* instance_;
    static std::mutex mutex_;
};
Singleton* Singleton::instance_ = nullptr;
std::mutex Singleton::mutex_;
int main()
{
    Singleton* s1 = Singleton::GetInstance();
    s1->PrintAddress();
    Singleton* s2 = Singleton::GetInstance();
    s2->PrintAddress();
    return 0;
}

懒汉模式优化

       上述代码有一个问题，当程序使用完该单例，需要手动去调用Destroy()来释放该单例管理的资源。如果不去手动释放管理的资源（例如加载的文件句柄等），虽然程序结束会释放这个单例对象的内存，但是并没有调用其析构函数去关闭这些管理的资源句柄等。解决办法就是将该管理的对象用智能指针管理。代码如下：

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#include <iostream>
#include <memory>
#include <mutex>
class Singleton
{
public:
    static Singleton& GetInstance()
    {
        if(!instance_)
        {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
            if(!instance_)
            {
                instance_.reset(new Singleton);
            }
        }
        return *instance_;
    }
    ~Singleton() = default;
    void PrintAddress() const
    {
        std::cout << this << std::endl;
    }
private:
    Singleton() = default;
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
private:
    static std::unique_ptr<Singleton> instance_;
    static std::mutex mutex_;
};
std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance_;
std::mutex Singleton::mutex_;
int main()
{
    Singleton& s1 = Singleton::GetInstance();
    s1.PrintAddress();
    Singleton& s2 = Singleton::GetInstance();
    s2.PrintAddress();
    return 0;
}

Double-Checked Locking Pattern存在的问题

       Double-Checked Locking Pattern (DCLP)实际上也是存在严重的线程安全问题。Scott Meyers and 和Alexandrescu写的一篇文章里面专门分析了这种解决方案的问题C++ and the Perils of Double-Checked Locking。文章截图：
demo
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demo
       比如刚刚实现方式很容易发现其存在线程安全问题。

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if(instance_ == nullptr)
{  \\ 语句1
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
    if(instance_ == nullptr)
    {
        instance_ = new Singleton;  \\ 语句2
    }
}

       线程安全问题产生的原因是多个线程同时读或写同一个变量时，会产生问题。
       如上代码，对于语句2是一个写操作，我们用mutex来保护instance这个变量。但是语句1是一个读操作，if(instance == nullptr)，这个语句是用来读取instance_这个变量，而这个读操作是没有锁的。所以在多线程情况下，这种写法明显存在线程安全问题。
       《C++ and the Perils of Double-Checked Locking》这篇文章中提到：

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instance_ = new Singleton;

       这条语句实际上做了三件事，第一件事申请一块内存，第二件事调用构造函数，第三件是将该内存地址赋给instance。
       但是不同的编译器表现是不一样的。可能先将该内存地址赋给instance，然后再调用构造函数。这是线程A恰好申请完成内存，并且将内存地址赋给instance，但是还没调用构造函数的时候。线程B执行到语句1，判断instance此时不为空，则返回该变量，然后调用该对象的函数，但是该对象还没有进行构造。

使用std::call_once实现单例

       在C++11中提供一种方法，使得函数可以线程安全的只调用一次。即使用std::call_once和std::once_flag。std::call_once是一种lazy load的很简单易用的机制。实现代码如下：

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#include <iostream>
#include <memory>
#include <mutex>
class Singleton
{
public:
    static Singleton& GetInstance()
    {
        static std::once_flag s_flag;
        std::call_once(s_flag, [&]() {
            instance_.reset(new Singleton);
        });
        return *instance_;
    }
    ~Singleton() = default;
    void PrintAddress() const
    {
        std::cout << this << std::endl;
    }
private:
    Singleton() = default;
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
private:
    static std::unique_ptr<Singleton> instance_;
};
std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance_;
int main()
{
    Singleton& s1 = Singleton::GetInstance();
    s1.PrintAddress();
    Singleton& s2 = Singleton::GetInstance();
    s2.PrintAddress();
    return 0;
}

使用局部静态变量实现懒汉

       使用C++局部静态变量也可解决上述问题。

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#include <iostream>
class Singleton
{
public:
    static Singleton& GetInstance()
    {
        static Singleton intance;
        return intance;
    }
    ~Singleton() = default;
private:
    Singleton() = default;
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};
int main()
{
    Singleton& s1 = Singleton::GetInstance();
    std::cout << &s1 << std::endl;
    Singleton& s2 = Singleton::GetInstance();
    std::cout << &s2 << std::endl;
    return 0;
}

       局部静态变量可以延迟对象的构造，等到第一次调用时才进行构造。
       C++11中静态变量的初始化时线程安全的。通过调试，在进行局部静态变量初始化的时候，确实会执行以下代码来保证线程安全。
demo

本文标题:C++ 线程安全的单例模式

文章作者:Greedysky

发布时间:2022年03月05日 - 18时06分

最后更新:2022年11月30日 - 11时33分

原始链接:http://greedysky.github.io/2022/03/05/C++线程安全的单例模式/

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文章目录
  1. 1. 前言
  2. 2. 饿汉模式
  3. 3. 懒汉模式
  4. 4. 懒汉模式优化
  5. 5. Double-Checked Locking Pattern存在的问题
  6. 6. 使用std::call_once实现单例
  7. 7. 使用局部静态变量实现懒汉