C++ 单例模式

黎 浩然/ 21 5 月, 2022/ C/C++, 计算机/COMPUTER/ 0 comments

众所周知的单例

class singleton {
private:
    singleton() {}
    static singleton *p;
public:
    static singleton *instance();
};

singleton *singleton::p = nullptr;

singleton* singleton::instance() {
    if (p == nullptr)
        p = new singleton();
    return p;
}

这是一个非常简单的实现，将构造函数声明为private或protect防止被外部函数实例化，内部有一个静态的类指针保存唯一的实例，实例的实现由一个public方法来实现，该方法返回该类的唯一实例。

当然这个代码只适合在单线程下，当多线程时，是不安全的。考虑两个线程同时首次调用instance方法且同时检测到p是nullptr，则两个线程会同时构造一个实例给p，这将违反了单例的准则。

懒汉和饿汉

单例分为两种实现方法：

• 懒汉
  • 第一次用到类实例的时候才会去实例化，上述就是懒汉实现。
• 饿汉
  • 单例类定义的时候就进行了实例化。

这里也给出饿汉的实现：

class singleton {
private:
    singleton() {}
    static singleton *p;
public:
    static singleton *instance();
};

singleton *singleton::p = new singleton();
singleton* singleton::instance() {
    return p;
}

当然这个是线程安全的，对于我们通常阐述的线程不安全，为懒汉模式，下面会阐述懒汉模式的线程安全代码优化。

加锁确保线程安全

#include <mutex>
using namespace std;

class singleton {
private:
    singleton() {}
    static singleton *p;
    static mutex *lock_;
public:
    static singleton *instance();
};

mutex *singleton::lock_ = new mutex();
singleton *singleton::p = nullptr;

singleton* singleton::instance() {
    lock_guard<mutex> guard(*lock_);
    if (p == nullptr)
        p = new singleton();
    return p;
}

在C++中加锁有个类不用手动管理unlock，那就是lock_guard，这里采用其进行加锁。

这种写法不会出现上面两个线程都执行到p==nullptr里面的情况，当线程A在执行new singleton()的时候，线程B如果调用了instance()，一定会被阻塞在加锁处，等待线程A执行结束后释放这个锁。从而是线程安全的。

但是这种写法性能非常低下，因为每次调用instance()都会加锁释放锁，而这个步骤只有当在第一次new singleton()才是有必要的，只要p被创建出来了，不管多少线程同时访问，if (p == nullptr)进行判断都是足够的（只是读操作，不需要加锁），没有线程安全问题，加了锁之后反而存在性能问题。

双重检查锁模式

上面写法是不管任何情况都会去加锁，然后释放锁，而对于读操作是不存在线程安全问题的，故只需要在第一次实例创建的时候加锁，以后不需要。

#include <mutex>
using namespace std;

class singleton {
private:
    singleton() {}
    static singleton *p;
    static mutex *lock_;
public:
    static singleton *instance();
};

mutex *singleton::lock_ = new mutex();
singleton *singleton::p = nullptr;

singleton* singleton::instance() {
    if(p == nullptr) {
        lock_guard<mutex> guard(*lock_);
        if(p == nullptr){
            p = new singleton;
        }
    }
    return p;
}

看起来上述代码非常美好，可是过了相当一段时间后，才发现这个漏洞。考虑以下语句

p = new singleton;

这条语句会导致三个事情的发生：

1. 分配能够存储singleton对象的内存；
2. 在被分配的内存中构造一个singleton对象；
3. 让p指向这块被分配的内存。

你可能会认为这三个步骤是按顺序执行的，但实际上只能确定步骤1是最先执行的，步骤2，3却不一定。问题就出现在这。在汇编级别层面分析以下过程：

• 线程A调用instance，执行第一次p的测试，获得锁，按照1,3,执行，然后被挂起。此时p是非空的，但是p指向的内存中还没有singleton对象被构造。
• 线程B调用instance，判定p非空， 将其返回给instance的调用者。调用者对指针解引用以获得singleton，噢，一个还没有被构造出的对象。bug就出现了。