• C++实现真正线程安全的单例


    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:

    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:

    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:


    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 eyers 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:

    5. 使用局部静态变量实现线程安全的懒汉
    使用C++局部静态变量也可解决上述问题。

    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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