C++ 线程安全的单例模式

(给CPP开发者加星标，提升C/C++技能)

来源：哲这这

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

【导读】：单例模式（Singleton Pattern）是最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。那么在多线程的情况下，怎么确保单例模式的安全性呢？请跟着小编一起来学习吧。

以下是正文

---

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：

class Singleton {
public:
  static Singleton* GetInstance() {
    return singleton_;
  }

  static void DestreyInstance() {
    if (singleton_ != NULL) {
      delete singleton_;
    }
  }

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_ = new Singleton;

int main() {
  Singleton* s1 = Singleton::GetInstance();
  std::cout << s1 << std::endl;

  Singleton* s2 = Singleton::GetInstance();
  std::cout << s2 << std::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 <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。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<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;
}

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 <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;
}

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。

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