单例模式，reorder详解，线程安全，双检查锁

单例模式的构造函数是私有的，目的是让用户无法直接new出实例，而只有通过其他的接口来获取实例，单例模式在这里作文章，使得多次获取到的实例，都是同一个实例。

单例模式，分为饿汉式单例和懒汉式单例。

先把本类对象所需内存在main函数执行前就new出来，这是饿汉式单例。

个人思考：

为什么饿汉式不独霸天下，还有什么必要去研究使用cpp11上支持的双检查锁机制(这是懒汉式，用到类实例时才去申请内存)？就因为饿汉式单例事先就占用了一些类内存？反正迟早都要占用内存啊。

或者说，饿汉式单例有什么缺陷。

饿汉式单例：

个人理解：

优点: 编程上使用很简单

缺点: 整个程序运行期间会一直占用内存，不可以在程序运行期间将其delete。

饿汉式单例模式的重要特点是运用了全局对象的构造过程先于main函数执行之前的特点。

如果程序运行期将实例化的单例对象delete之后，如果有再次创建该单例对象的需求，

正因为饿汉式单例的上述特点，将无法达到满意的目标效果(目标效果是支持线程安全的单例模式)。

因为程序不可能重新从main函数前再重头执行一次(在嵌入式平台，只有设备重新上电了)。

即： 饿汉式单例模式不支持动态创建、销毁单例对象。

普通的懒汉式单例 动态支持的单例对象的申请和释放

class Singleton{
private:
    Singleton();
    Singleton(const Singleton& other);
public:
    static Singleton* getInstance();
    static Singleton* m_instance;
};

//线程安全，但锁的代价过高
Singleton* Singleton::getInstance() {
    Lock lock;
    if (m_instance == nullptr) {
        m_instance = new Singleton();
    }
    return m_instance;
}

普通的懒汉式(该获取实例函数内执行，先上锁，再判断指针，最后分配内存)也是线程安全的，只是其内部实现，即获取实例函数内，不管三七二十一，每次都先上锁，考虑到锁的代码过高，不满足高并发编程要求。

普通的懒汉式单例也适用于我们针对大多数场景使用，因为，大多时候，嵌入式程序员不需要考虑高并发场景。　　

普通的双检查锁

//普通写法的双检查锁，但由于内存读写reorder， 所以是线程不安全
Singleton* Singleton::getInstance() {
    
    if(m_instance==nullptr){ 
        Lock lock;
        if (m_instance == nullptr) {  // 这句代码并不是多余的，有其作用
            m_instance = new Singleton();
        }
    }
    return m_instance;
}

reorder详解：

假设某个时刻：

线程A 执行到m_instance = new Singleton(); 并且已经完成步骤1和步骤3，但是步骤2尚未执行，也就是说，虽然此时m_instance已经不是NULL，但是其

所指向的内存尚未完成构造。

此时，线程B被调度，执行getInstance()，进入上述函数内部，先判断if(m_instance==nullptr)(注意，这句代码是未上锁的，所以B线程可以执行)，由于此时m_instance已经不是NULL，所以该函数即将退出，

线程B认为自己已经获取到了该单实例的句柄，接下来就很有可能使用该单实例的句柄进行操作。显然，这不是线程安全的。

另外，解释下第二个if判断为什么不是多余的：

线程A有可能在执行第一个if判断后，立即被调度到线程B执行，而此时线程A尚未执行到Lock lock;的这句上锁代码。m_instance被线程B实例化(完成了单例模式整个过程)，

再次调度回线程A时，线程A继续执行上锁代码，此时，有必要再次判断m_instance指针是否为空，如果已经是非空，则不能执行单例类的构造和赋值。

上述的双检查锁的代码，整体代码逻辑是没问题的，虽然是线程非安全的，但这不是程序员能够解决的了。究其原因，此处线程非安全是因为reorder机制。

所以，我们程序员需要借助编译器的新特性才能解决该问题。

线程安全的双检查锁：从支持C++ 11特性的编译器开始，提供了通用的跨平台实现。

//线程安全的双检查锁 -- C++ 11版本之后的跨平台实现 (volatile)
std::atomic<Singleton*> Singleton::m_instance;
std::mutex Singleton::m_mutex;

Singleton* Singleton::getInstance() {
    Singleton* tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed);
    std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);//获取内存fence
    if (tmp == nullptr) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);
        tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed);
        if (tmp == nullptr) {
            tmp = new Singleton;
            std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);//释放内存fence
            m_instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed);
        }
    }
    return tmp;
}

使用cpp11特性支持的双检查方式的懒汉式单例不是必须的，只是这种方式是专用于高并发场景下的，满足高并发要求(ps:这种方式一定是线程安全的)。

补充点：

全局变量的构造时机，和main函数被执行的时机。

全局变量的构造，这是crt （c run time）做的事情，它保证全局变量初始化在main之前运行。

编写本博客参考过的博客：

https://www.cnblogs.com/goodAndyxublog/p/11356402.html

posted @ 2020-09-14 09:44 一匹夫阅读(1116) 评论(0) 编辑收藏举报

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