C++11 单例类实现

单例类:

(1) 单例类保证全局只有一个唯一的实例对象。

(2) 单例类保证只有唯一的接口获取这唯一实例。

非线程安全的单例类举例:

class CSingleton
{
public:
    ~CSingleton(){}
    static CSingleton * getInstance()
    {
        if (m_instance == nullptr)
        {
            m_instance = new CSingleton;
        }
        return m_instance;
    }
    static void delInstance()
    {
        if (m_instance)
        {
            delete m_instance;
            m_instance = nullptr;
        }
    }
    void print()
    {
        std::cout << "print test" << std::endl;
    }
private:
    CSingleton(){}
    CSingleton & operator=(const CSingleton & ) = delete;
    CSingleton(const CSingleton &) = delete;
private:
    static CSingleton * m_instance;
};

CSingleton * CSingleton::m_instance = nullptr;

上述单例类面对多线程并发访问时会出错。

看如下线程安全的单例类(非C++11实现)

class CSingleton
{
public:
    ~CSingleton() {}
    static CSingleton * getInstance()
    {
        if (m_instance == nullptr)
        {
            std::lock_guard<std::mutex> lgd(m_mt);
            if (m_instance == nullptr)
            {
                m_instance = new CSingleton;
            }
        }
        return m_instance;
    }
    static void delInstance()
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lgd(m_mt);
        if (m_instance)
        {
            delete m_instance;
            m_instance = nullptr;
        }
    }
    void print()
    {
        std::cout << "print test" << std::endl;
    }
private:
    CSingleton() {}
    CSingleton & operator=(const CSingleton & ) = delete;
    CSingleton(const CSingleton &) = delete;
private:
    static CSingleton * m_instance;
    static std::mutex m_mt;
};

CSingleton * CSingleton::m_instance = nullptr;
std::mutex CSingleton::m_mt;

当然绝对的线程安全还是有问题，因为C++创建对象时，会执行1、分配内存，2 调用构造，3 赋值操作三步操作，然而现代CPU和编译器高并发下可能

会进行乱序重排操作，因而创建对象new CSingleton的第2步可能会晚于第3步进行指令调用，因而导致出现未定义的的行为。

举例:

线程A ： getInstance 判断 instance是否为空，为空则

线程A ： 分配内存  此时CPU乱序指令重排，赋值操作提前

线程B ： getInsnace 判断instance是否为空，非空，则返回

线程B ： 使用了未初始化的instacne 出现未定义行为。

线程A ： 调用构造函数对instance初始化。

因此要解决上述问题需要引入内存栅栏来确保指令运行的同步性。在CPU指令重排的前提下保持数据的一致性。

C++11支持线程安全的单例类：

C++11的单例模式的实现

class CSingleton
{
public:
    ~CSingleton() {}
    static CSingleton & getInstance()
    {
        static CSingleton m_instance;
        return m_instance;
    }
    void print()
    {
        std::cout << "print test" << std::endl;
    }
};

返回静态局部对象的引用，C++11中是线程安全的。

验证一下:

class CStatic
{
public:
    CStatic()
    {
        std::cout << "construct begin" << std::endl;
        Sleep(5000);
        std::cout << "construct end" << std::endl;
    }
    void print()
    {    
        std::cout << "print" << std::endl;
        std::cout << s_num++ << std::endl;
    }
    static int s_num;
    static std::mutex s_mt;
};

int CStatic::s_num = 0;
std::mutex CStatic::s_mt;

//
void thread_func()
{
    static CStatic st;
    st.print();
}

int main()
{
    std::vector<std::thread> vecThread;
    for (auto i = 0; i< 8; i++)
    {
        vecThread.push_back(std::thread(thread_func));
    }
    for (auto i = 0; i< 8; i++)
    {
        vecThread[i].join();
    }
    //
    system("pause");
    return 0;
}

首先我们创建一个CStatic类，然后创建8个线程来启动thread_func()，thread_func()初始化了一个静态CStatic对象，（静态局部变量仅被初始化一次）

然后接着运行。我们发现，当首个线程初始化CStatic时，其他线程都是被阻塞的，从构造函数的begin和end中可以看到，我们故意让其停留5s，

如下图，其他线程都是在st被初始化之后才运行。

所以CStatic静态局部对象被构造的过程中是线程安全的，但是其拥有的成员变量则不是线程安全的。

因此我们增加个简单的锁，

class CStatic
{
public:
    CStatic()
    {
        std::cout << "construct begin" << std::endl;
        Sleep(5000);
        std::cout << "construct end" << std::endl;
    }
    void print()
    {    
        std::lock_guard<std::mutex> lgd(s_mt);
        std::cout << "print" << std::endl;
        std::cout << s_num++ << std::endl;
    }
    static int s_num;
    static std::mutex s_mt;
};