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从C++单例模式到线程安全详解

时间：2022-02-25 18:10 编辑：来源：阅读：
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摘要：从C++单例模式到线程安全详解

先看一个最简单的教科书式单例模式：

class CSingleton
{
public:
 static CSingleton* getInstance()
 {
  if (NULL == ps)
  {//tag1
   ps = new CSingleton;
  }
  return ps;
 }

private:
 CSingleton(){}
 CSingleton & operator=(const CSingleton &s);
 static CSingleton* ps;
};

CSingleton* CSingleton::ps = NULL;

[b]有2个要点：[/b] [b]1.private的构造函数和=操作符，用于防止类外的实例化和被复制； [/b] [b]2.static的类指针和get方法。[/b] 在大多数单线程情况下，以上代码大都会运行得很好，除非遇到中断： 1.当程序运行到tag1 处触发了中断； 2.中断处理程序恰调用的也是getInstance函数。可想而知，这和多线程的情况类似，假设线程A 运行到tag1处，还没来得及new，此时ps仍然是NULL，线程B（或中断处理程序）同时也运行到此通过if判断，那么将会实例化2个CSingleton对象，显然是不对的。为了解决上述问题，自然而然，最容易想到也最常用的方法是[b]加锁[/b]，因此getInstance改成这样：

 static CSingleton* getInstance()
 {
  lock();//伪代码
  if (NULL == ps)
  {
   ps = new CSingleton;
  }
  return ps;
 }

加了锁以后貌似解决了上述问题，但也同样带来了新的问题：如果程序到处是诸如：

CSingleton::instance()->aaaa();
CSingleton::instance()->bbbb();
CSingleton::instance()->cccc();

这样的调用，除了第一次的lock()有用外，后面的都是在做无用功，lock()的代价说大不大，但在某些情况下还是会提高程序延迟，这对追求完美的程序猿来说是完全无法接受的。于是乎，咱想出了一个办法：

 static CSingleton* getInstance()
 {
  if (NULL == ps)//这里加了次判断，只有第一次才会为true而调用lock()
  {
   lock();//伪代码
   if (NULL == ps)
   {
    ps = new CSingleton;
   }
  }
  return ps;
 }

很久以后我才知道，这个方法有个很高大上的名字，叫做双重检查锁定模式，简称DCLP(Double Checked Locking Pattern)。 DCLP很好地解决了多次调用不必要的lock()。然而，你们以为这样就完了？too young。。 [b]DCLP在多线程下仍然存在2个根本问题：[/b] [b]1.程序的指令执行顺序不确定； 2.编译器优化问题。[/b] 先说2，在某些编译器下，以上的两个if判断只会执行一个，甚至一个都不执行，原因是编译器认为至少有一个if判断是多余的，它自动帮助我们优化了代码。再说1，ps = new CSingleton; 这条语句会被拆分为这样的三个步骤执行： [b]1.为要new的对象开辟一块内存； 2.构造该对象，填入这块内存； 3.将ps指针指向这块内存。[/b] 以上三个步骤，2和3的顺序是不确定的，可能先2后3，也可能先3后2。。。实际执行时可能是这样的：

 static CSingleton* getInstance()
 {
  if (NULL == ps)
  {
   lock();//伪代码
   if (NULL == ps)
   {    //伪代码
    ps = xx;//step 3
    new sizeof(CSingleton);//step 1
    new CSingleton;//step 2
   }
  }
  return ps;
 }

如果编译器按上述顺序执行代码，考虑如下状况：线程A 执行到step 1还未执行后面的step 2，此时ps非空，但其指向的内存里面的内容还未被构造出来，于此同时线程B 进入这个函数，判断ps非空直接返回ps，但是调用者此时访问的ps内存实际内容CSingleton还没被构造呢，这是一块地址正确大小正确但内部数据不明的东西，当然会出错(调用者一般这么调用:CSingleton::getInstance()->aa(); CSingleton::getInstance()->bb(); CSingleton::getInstance()->cc();........此时的aa,bb,cc是啥玩意儿？)。这也是为什么加上volatile关键字仍然不可以解决同步问题，volatile只解决了编译器优化问题，却无法控制机器指令执行顺序。很遗憾的是，C/C++本身在设计时是不考虑多线程问题的，也就是说，要处理多线程问题还要程序猿自己想办法填坑。。说了这么多，我们要讨论的问题仍然没有解决，庆幸的是，C++ 11提供了内存栅栏技术来解决这个问题，这里不赘述，有兴趣的读者可以自己搜索资料看看，不过是一些api调罢了。那么，C++ 11 以前的代码如何解决这个问题呢？很不幸，并没有很好的解决方案，一种可行的方案是，程序中不要到处这么调用这个单例对象：

CSingleton::getInstance()->aa(); 
CSingleton::getInstance()->bb();
CSingleton::getInstance()->cc();

而是在程序开始就初始化缓存这个单例对象：

CSingleton* const g_ps = CSingleton::getInstance();//程序一开始就缓存这个单例对象
g_ps->aa();
g_ps->bb();
g_ps->cc();

但是如此带来的问题是程序一开始就实例化了这个单例对象，对象在整个程序的声明周期存在，这貌似叫饿汉式，而之前那种叫懒汉式，孰轻孰重，只有根据实际情况取舍了。以上就是小编为大家带来的从C++单例模式到线程安全详解全部内容了，希望大家多多支持编程素材网~

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