C++11：实现线程安全的单例模式(使用std::call_once)1. 饿汉模式 2.懒汉模式 3. 懒汉模式优化 4. Double-Checked Locking Pattern存在的问题

74 阅读 0 评论 49 点赞

我是靠谱客的博主文艺月饼，最近开发中收集的这篇文章主要介绍C++11：实现线程安全的单例模式(使用std::call_once)1. 饿汉模式 2.懒汉模式 3. 懒汉模式优化 4. Double-Checked Locking Pattern存在的问题，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

注意：在C++11前，static变量的初始化，并不是线程安全的（C++11是安全的，在c++11中，static静态类对象在执行构造函数进行初始化的过程是线程安全的）。https://blog.csdn.net/yuhaiyang457288/article/details/50420073

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：

#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;
}

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 <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。

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;
}

原文：https://blog.csdn.net/u011726005/article/details/82356538
https://www.cnblogs.com/litaozijin/p/6888049.html

https://blog.csdn.net/yuhaiyang457288/article/details/50420073