線程安全的單例模式

1、線程安全的單例模式、/、刖旨單例模式(SingletonPattern)是最簡單的、也是我們很常用的一種設(shè)計模式。保證一個類僅有一個實例，并提供一個該實例的全局訪問點。那么在多線程的環(huán)境，怎么才能更好的確保線程安全呢？實現(xiàn)1餓.漢模式餓漢模式使用一個靜態(tài)成員變量，程序啟動即完成構(gòu)造，不用考慮線程安全的問題，C+11中static的特性：如果當變量在初始化的時候，并發(fā)同時進入聲明語句，并發(fā)線程將會阻塞等待初始化結(jié)束。classSingletonpublic:staticSingleton*GetInstance()returninstance_;if(instance_!=nullptr)del

2、eteinstance_;private:Singleton()=default;Singleton&operator=(constSingleton&)=delete;Singleton(constSingleton&singleton2)=delete;private:staticSingleton*instance_;_intmain()Singleton*s1=Singleton:GetInstance();Singleton:DestreyInstance();return0;關(guān)于資源的釋放上例中我們使用了一個靜態(tài)的成員函數(shù)來釋放堆上的資源，需要手動調(diào)用，并不是很方便。我們可以使用智

3、能指針或者一個內(nèi)部類來實現(xiàn)資源的自動釋放，也更符合Moderncpp的風格。接下來我們演示如何使用一個內(nèi)部類來優(yōu)化餓漢模式。classSingletonpublic:staticSingleton*GetInstance()returninstance_;if(instance_!=nullptr)deleteinstance_;private:classGCpublic:GC()可以在這里銷毀所有的資源，例如：b連接、文件句柄等if(instance_!=nullptr)deleteinstance_;instance_=nullptr;staticGCgc;p!：Singleton()=d

4、efault;Singleton&operator=(constSingleton&)=delete;Singleton(constSingleton&singleton2)=delete;private:staticSingleton*instance_;_懶漢模式餓漢方式不論是否需要使用該對象都將其定義出來，可能浪費了內(nèi)存，或者減慢了程序的啟動速度。所以使用懶漢模式進行優(yōu)化，懶漢模式即延遲構(gòu)造對象，在第一次使用該對象的時候才進行new該對象。而懶漢模式會存在線程安全問題，最出名的解決方案就是Double-CheckedLockingPattern(DCLP)(雙檢鎖)。使用兩次判斷來解決線

5、程安全問題并且提高效率。classSingletonpublic:staticSingleton&GetInstance()if(instance_=nullptr)std:lock_guardlock(mutex_);if(instance_=nullptr)instance_.reset(newSingleton);return*instance_;Singleton()=default;private:Singleton()=default;Singleton(constSingleton&)=delete;Singleton&operator=(constSingleton&)=del

6、ete;private:staticstd:unique_ptrinstance_;staticstd:mutexmutex_;std:unique_ptrSingleton:instance_;std:mutexSingleton:mutex_;雙檢鎖的問題DCLP實際上也是存在這嚴重的線程安全問題的，具體參考原文中有這樣一段話：Consideragainthelinethatinitializespinstanee:pInstance=newSingleton;Thisstatementcausesthreethingstohappen:Step1:Allocatememorytohold

7、aSingletonobject.Step2:ConstructaSingletonobjectintheallocatedmemory.Step3:Makepinstaneepointtotheallocatedmemory.Ofcriticalimportanceistheobservationthatcompilersarenotconstrainedtoperformthesestepsinthisorder!Inparticular,compilersaresometimesallowedtoswapsteps2and3.Whytheymightwanttodothatisaques

8、tionwelladdressinamoment.Fornow,letsfocusonwhathappensiftheydo.也就是我們在instance_=newSingleton;時發(fā)生了三件事情：申請一塊內(nèi)存來保存單例對象。在申請的內(nèi)存中調(diào)用構(gòu)造函數(shù)。將內(nèi)存的地址賦值給instance_。不同的編譯器表現(xiàn)不一樣，它們并不會嚴格按照這個順序執(zhí)行，尤其是有時候允許交換第二步和第三步！也就是說可能會先將內(nèi)存地址賦值給instance_然后再調(diào)用構(gòu)造函數(shù)。這樣就會有嚴重的線程安全問題，比如：線程A剛好申請完內(nèi)存并將該內(nèi)存地址賦值給instance_但是此時還沒調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，又剛好此時線程B執(zhí)行到

9、了if(instance_=nullptr)判斷instance_并不為空，返回了該變量，然后調(diào)用了該對象的函數(shù)，但是該對象還沒進行構(gòu)造。其實就是編譯優(yōu)化導致的一個亂序(reorder)的問題。懶漢模式進一步優(yōu)化1.使用std:call_oneeC+11中std:call_once和std:once_flag配合使用使得函數(shù)可以線程安全的只調(diào)用一次。classSingletonpublic:staticSingleton&GetInstance()staticstd:once_flags_flag;std:call_once(s_flag,&()instance_.reset(newSingl

10、eton););return*instance_;Singleton()=default;voidPrintAddress()conststd:coutthisstd:endl;private:Singleton()=default;Singleton(constSingleton&)=delete;Singleton&operator=(constSingleton&)=delete;private:staticstd:unique_ptrinstance_;std:unique_ptrSingleton:instance_;.使用內(nèi)存屏障classSingletonpublic:stati

11、cSingleton*GetInstance()Singleton*tmp=instance_oad(std:memory_order_relaxed);獲取內(nèi)存屏障std:atomic_thread_fence(std:memory_order_acquire);if(tmp=nullptr)std:lock_guardlock(mutex_);tmp=instance_oad(std:memory_order_relaxed);if(tmp=nullptr)tmp=newSingleton;釋放內(nèi)存屏障std:atomic_thread_fence(std:memory_order_rel

12、ease);instance_store(tmp,std:memory_order_relaxed);atexit(Destructor);returntmp;private:staticvoidDestructor()Singleton*tmp=instance_.load(std:memory_order_relaxed);if(nullptr!=tmp)deletetmp;Singleton()=default;Singleton(constSingleton&)Singleton&operator=(constSingleton&)staticstd:atomicinstance_;s

13、taticstd:mutexmutex_;std:atomicSingleton:instance_;std:mutexSingleton:mutex_;最簡單實用的方式好了，說了這么多，前面一頓操作猛如虎，其實最簡單實用的還是靜態(tài)局部變量的方式。classSingletonpublic:Singleton()staticSingleton&GetInstance()staticSingletoninstance;returninstance;private:Singleton()=default;Singleton(constSingleton&)Singleton&operator=(co

14、nstSingleton&);優(yōu)點：“代碼簡潔；“利用靜態(tài)局部變量特性，延遲加載；“利用靜態(tài)局部變量特性，系統(tǒng)自動回收內(nèi)存，自動調(diào)用析構(gòu)函數(shù)；“靜態(tài)局部變量初始化時，沒有new操作帶來的cpu指令reorder操作；“c+11靜態(tài)局部變量初始化時，具備線程安全；升級為模板templatevtypenameTclassSingletonpublic:staticT&GetInstance()staticTinstance;returninstance;protected:virtualSingleton()Singleton()Singleton(constSingleton&)Singleton&operator=(constSingleton&);使用方式比如我們有一個普通類DesignPattern，它是全局唯一的，