C++的单例模式与线程安全单例模式（懒汉/饿汉）

1. 什么是单例模式

单例模式(Singleton Pattern，也称为单件模式)，使用最广泛的设计模式之一。其意图是保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点，该实例被所有程序模块共享。

定义一个单例类：

私有化它的构造函数，以防止外界创建单例类的对象；
使用类的私有静态指针变量指向类的唯一实例；
使用一个公有的静态方法获取该实例。

2. 懒汉版（Lazy Singleton）

教学版，即懒汉版（Lazy Singleton）：单例实例在第一次被使用时才进行初始化，这叫做延迟初始化。

// version 1.0
class Singleton
{
private:
    static Singleton* instance;
private:
    Singleton() {};
    ~Singleton() {};
    Singleton(const Singleton&);
    Singleton& operator=(const Singleton&);
public:
    static Singleton* getInstance() 
        {
        if(instance == NULL) 
            instance = new Singleton();
        return instance;
    }
};

// init static member
Singleton* Singleton::instance = NULL;

使用智能指针
使用静态的嵌套类对象

对于第二种解决方法，代码如下：

// version 1.1
class Singleton
{
private:
    static Singleton* instance;
private:
    Singleton() { };
    ~Singleton() { };
    Singleton(const Singleton&);
    Singleton& operator=(const Singleton&);
private:
    class Deletor {
    public:
        ~Deletor() {
            if(Singleton::instance != NULL)
                delete Singleton::instance;
        }
    };
    static Deletor deletor;
public:
    static Singleton* getInstance() {
        if(instance == NULL) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
};

// init static member
Singleton* Singleton::instance = NULL;

在程序运行结束时，系统会调用静态成员deletor的析构函数，该析构函数会删除单例的唯一实例。使用这种方法释放单例对象有以下特征：

在单例类内部定义专有的嵌套类。
在单例类内定义私有的专门用于释放的静态成员。
利用程序在结束时析构全局变量的特性，选择最终的释放时机。

在单例类内再定义一个嵌套类，总是感觉很麻烦。

问题2：这个代码在单线程环境下是正确无误的，但是当拿到多线程环境下时这份代码就会出现race condition，注意version 1.0与version 1.1都不是线程安全的。要使其线程安全，能在多线程环境下实现单例模式，我们首先想到的是利用同步机制来正确的保护我们的shared data。可以使用双检测锁模式（DCL: Double-Checked Locking Pattern）：

static Singleton* getInstance() {
    if(instance == NULL) {
        Lock lock;  // 基于作用域的加锁，超出作用域，自动调用析构函数解锁
        if(instance == NULL) {
            instance = new Singleton();
        }
    }
    return instance;
}

注意，线程安全问题仅出现在第一次初始化（new）过程中，而在后面获取该实例的时候并不会遇到，也就没有必要再使用lock。双检测锁很好地解决了这个问题，它通过加锁前检测是否已经初始化，避免了每次获取实例时都要首先获取锁资源。

加入DCL后，其实还是有问题的，关于memory model。在某些内存模型中（虽然不常见）或者是由于编译器的优化以及运行时优化等等原因，使得instance虽然已经不是nullptr但是其所指对象还没有完成构造，这种情况下，另一个线程如果调用getInstance()就有可能使用到一个不完全初始化的对象。换句话说，就是代码中第2行：if(instance == NULL)和第六行instance = new Singleton();没有正确的同步，在某种情况下会出现new返回了地址赋值给instance变量而Singleton此时还没有构造完全，当另一个线程随后运行到第2行时将不会进入if从而返回了不完全的实例对象给用户使用，造成了严重的错误。在C++11没有出来的时候，只能靠插入两个memory barrier（内存屏障）来解决这个错误，但是C++11引进了memory model，提供了Atomic实现内存的同步访问，即不同线程总是获取对象修改前或修改后的值，无法在对象修改期间获得该对象。

因此，在有了C++11后就可以正确的跨平台的实现DCL模式了，利用atomic，代码如下：

atomic<Widget*> Widget::pInstance{ nullptr };
Widget* Widget::Instance() {
    if (pInstance == nullptr) { 
        lock_guard<mutex> lock{ mutW }; 
        if (pInstance == nullptr) { 
            pInstance = new Widget(); 
        }
    } 
    return pInstance;
}

C++11中的atomic类的默认memory_order_seq_cst保证了3、6行代码的正确同步，由于上面的atomic需要一些性能上的损失，因此我们可以写一个优化的版本：

atomic<Widget*> Widget::pInstance{ nullptr };
Widget* Widget::Instance() {
    Widget* p = pInstance;
    if (p == nullptr) { 
        lock_guard<mutex> lock{ mutW }; 
        if ((p = pInstance) == nullptr) { 
            pInstance = p = new Widget(); 
        }
    } 
    return p;
}

Best of All:

C++11规定了local static在多线程条件下的初始化行为，要求编译器保证了内部静态变量的线程安全性。在C++11标准下，《Effective C++》提出了一种更优雅的单例模式实现，使用函数内的 local static 对象。这样，只有当第一次访问getInstance()方法时才创建实例。这种方法也被称为Meyers' Singleton。C++0x之后该实现是线程安全的，C++0x之前仍需加锁。

// version 1.2
class Singleton
{
private:
    Singleton() { };
    ~Singleton() { };
    Singleton(const Singleton&);
    Singleton& operator=(const Singleton&);
public:
    static Singleton& getInstance() 
        {
        static Singleton instance;
        return instance;
    }
};

3. 饿汉版（Eager Singleton）

饿汉版（Eager Singleton）：指单例实例在程序运行时被立即执行初始化

// version 1.3
class Singleton
{
private:
    static Singleton instance;
private:
    Singleton();
    ~Singleton();
    Singleton(const Singleton&);
    Singleton& operator=(const Singleton&);
public:
    static Singleton& getInstance() {
        return instance;
    }
}

// initialize defaultly
Singleton Singleton::instance;

由于在main函数之前初始化，所以没有线程安全的问题。但是潜在问题在于no-local static对象（函数外的static对象）在不同编译单元中的初始化顺序是未定义的。也即，static Singleton instance;和static Singleton& getInstance()二者的初始化顺序不确定，如果在初始化完成之前调用 getInstance() 方法会返回一个未定义的实例。

总结：

Eager Singleton 虽然是线程安全的，但存在潜在问题；
Lazy Singleton通常需要加锁来保证线程安全，但局部静态变量版本在C++11后是线程安全的；
局部静态变量版本（Meyers Singleton）最优雅。

4. 何时使用单例模式？

Use a Singleton if:

If you need to have one and only one object of a type in system

Do not use a Singleton if:

If you want to save memory
If you want to try something new
If you want to show off how much you know
Because everyone else is doing it (See cargo cult programmer in wikipedia)
In user interface widgets
It is supposed to be a cache
In strings
In Sessions
I can go all day long

How to create the best singleton:

The smaller, the better. I am a minimalist
Make sure it is thread safe
Make sure it is never null
Make sure it is created only once
Lazy or system initialization? Up to your requirements
Sometimes the OS or the JVM creates singletons for you (e.g. in Java every class definition is a singleton)
Provide a destructor or somehow figure out how to dispose resources
Use little memory

补充：C++中static对象的初始化

non-local static对象（函数外）

C++规定，non-local static 对象的初始化发生在main函数执行之前，也即main函数之前的单线程启动阶段，所以不存在线程安全问题。但C++没有规定多个non-local static 对象的初始化顺序，尤其是来自多个编译单元的non-local static对象，他们的初始化顺序是随机的。

local static 对象（函数内）

对于local static 对象，其初始化发生在控制流第一次执行到该对象的初始化语句时。多个线程的控制流可能同时到达其初始化语句。

在C++11之前，在多线程环境下local static对象的初始化并不是线程安全的。具体表现就是：如果一个线程正在执行local static对象的初始化语句但还没有完成初始化，此时若其它线程也执行到该语句，那么这个线程会认为自己是第一次执行该语句并进入该local static对象的构造函数中。这会造成这个local static对象的重复构造，进而产生内存泄露问题。所以，local static对象在多线程环境下的重复构造问题是需要解决的。

而C++11则在语言规范中解决了这个问题。C++11规定，在一个线程开始local static 对象的初始化后到完成初始化前，其他线程执行到这个local static对象的初始化语句就会等待，直到该local static 对象初始化完成。

来源：C++ 单例模式

posted @ 2019-09-06 09:46 余生以学阅读(1938) 评论(0) 编辑收藏举报

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