多线程单例模式

原文：https://blog.csdn.net/u011726005/article/details/82356538

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：

classSingleton {public:static Singleton*GetInstance() {returnsingleton_;

}static voidDestreyInstance() {if (singleton_ !=NULL) {deletesingleton_;

}

}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_ = newSingleton;intmain() {

Singleton* s1 =Singleton::GetInstance();

std::cout<< s1 <<:endl>

Singleton* s2 =Singleton::GetInstance();

std::cout<< s2 <<: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)。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 #include

classSingleton {public:static Singleton*GetInstance() {if (instance_ ==nullptr) {

std::lock_guard<:mutex> lock(mutex_);if (instance_ ==nullptr) {

instance_= newSingleton;

}

}returninstance_;

}~Singleton() = default;//释放资源。

voidDestroy() {if (instance_ !=nullptr) {deleteinstance_;

instance_=nullptr;

}

}void PrintAddress() const{

std::cout<< this <<:endl>

}private:

Singleton()= default;

Singleton(const Singleton&) = delete;

Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;private:static Singleton*instance_;staticstd::mutex mutex_;

};

Singleton* Singleton::instance_ =nullptr;

std::mutex Singleton::mutex_;intmain() {

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 #include#include

classSingleton {public:static Singleton&GetInstance() {if (!instance_) {

std::lock_guard<:mutex> lock(mutex_);if (!instance_) {

instance_.reset(newSingleton);

}

}return *instance_;

}~Singleton() = default;void PrintAddress() const{

std::cout<< this <<:endl>

}private:

Singleton()= default;

Singleton(const Singleton&) = delete;

Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;private:static std::unique_ptrinstance_;staticstd::mutex mutex_;

};

std::unique_ptrSingleton::instance_;

std::mutex Singleton::mutex_;intmain() {

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<:mutex> lock(mutex_);if (instance_ ==nullptr) {

instance_= newSingleton; \\ 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 #include#include

classSingleton {public:static Singleton&GetInstance() {staticstd::once_flag s_flag;

std::call_once(s_flag, [&]() {

instance_.reset(newSingleton);

});return *instance_;

}~Singleton() = default;void PrintAddress() const{

std::cout<< this <<:endl>

}private:

Singleton()= default;

Singleton(const Singleton&) = delete;

Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;private:static std::unique_ptrinstance_;

};

std::unique_ptrSingleton::instance_;intmain() {

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

classSingleton {public:static Singleton&GetInstance() {staticSingleton intance;returnintance;

}~Singleton() = default;private:

Singleton()= default;

Singleton(const Singleton&) = delete;

Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

};intmain() {

Singleton& s1 =Singleton::GetInstance();

std::cout<< &s1 <<:endl>

Singleton& s2 =Singleton::GetInstance();

std::cout<< &s2 <<:endl>

}

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。

================= End