C++11实现线程安全的单例模式
1. 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：
class Singleton { public: static Singleton* GetInstance() { return singleton_; } static void DestreyInstance() { if (singleton_ != NULL) { 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; }
2.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)双重检查锁。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：
#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; }
3. 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：
#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; }
4. 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：
比如刚刚实现方式很容易发现其存在线程安全问题。
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：
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。
5. 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：
#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; }
6.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。
#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。
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