第詳解如何使用C++寫一個線程安全的單例模式目錄單例模式的簡單實現(xiàn)有問題的雙重檢測鎖現(xiàn)代C++中的解決方法使用現(xiàn)代C++中的內(nèi)存順序限制使用現(xiàn)代C++中的call_once方法使用靜態(tài)局部變量

單例模式的簡單實現(xiàn)

單例模式大概是流傳最為廣泛的設(shè)計模式之一了。一份簡單的實現(xiàn)代碼大概是下面這個樣子的：

classsingleton

public:

staticsingleton*instance()

if(inst_!=nullptr){

inst_=newsingleton();

returninst_;

private:

singleton(){}

staticsingleton*inst_;

singleton*singleton::inst_=nullptr;

這份代碼在單線程的環(huán)境下是完全沒有問題的，但到了多線程的世界里，情況就有一點不同了?？紤]以下執(zhí)行順序：

線程1執(zhí)行完if(inst_!=nullptr)之后，掛起了；線程2執(zhí)行instance函數(shù)：由于inst_還未被賦值，程序會inst_=newsingleton()語句；線程1恢復(fù)，inst_=newsingleton()語句再次被執(zhí)行，單例句柄被多次創(chuàng)建。

所以，這樣的實現(xiàn)是線程不安全的。

有問題的雙重檢測鎖

解決多線程的問題，最常用的方法就是加鎖唄。于是很容易就可以得到以下的實現(xiàn)版本：

classsingleton

public:

staticsingleton*instance()

guardmutexlock{mut_};

if(inst_!=nullptr){

inst_=newsingleton();

returninst_;

private:

singleton(){}

staticsingleton*inst_;

staticmutexmut_;

singleton*singleton::inst_=nullptr;

mutexsingleton::mut_;

這樣問題是解決了，但性能上就不那么另人滿意，畢竟每一次使用instance都多了一次加鎖和解鎖的開銷。更關(guān)鍵的是，這個鎖也不是每次都需要??！實際我們只有在創(chuàng)建單例實例的時候才需要加鎖，之后使用的時候是完全不需要鎖的。于是，有人提出了一種雙重檢測鎖的寫法：

...

staticsingleton*instance()

if(inst_!=nullptr){

guardmutexlock{mut_};

if(inst_!=nullptr){

inst_=newsingleton();

returninst_;

我們先判斷一下inst_是否已經(jīng)初始化了，如果沒有，再進行加鎖初始化流程。這樣，雖然代碼看上去有點怪異，但好像確實達到了只在創(chuàng)建單例時才引入鎖開銷的目的。不過遺憾的是，這個方法是有問題的。ScottMeyers和AndreiAlexandrescu兩位大神在C++andthePerilsofDouble-CheckedLocking一文中對這個問題進行了非常詳細地討論，我們在這兒只作一個簡單的說明，問題出在：

inst_=newsingleton();

這一行。這句代碼不是原子的，它通常分為以下三步：

調(diào)用operatornew為singleton對象分配內(nèi)存空間；在分配好的內(nèi)存空間上調(diào)用singleton的構(gòu)造函數(shù)；將分配的內(nèi)存空間地址賦值給inst_。

如果程序能嚴格按照1--2--3的步驟執(zhí)行代碼，那么上述方法沒有問題，但實際情況并非如此。編譯器對指令的優(yōu)化重排、CPU指令的亂序執(zhí)行(具體示例可參考《【多線程那些事兒】多線程的執(zhí)行順序如你預(yù)期嗎？》）都有可能使步驟3執(zhí)行早于步驟2?？紤]以下的執(zhí)行順序：

線程1按步驟1--3--2的順序執(zhí)行，且在執(zhí)行完步驟1,3之后被掛起了；線程2執(zhí)行instance函數(shù)獲取單例句柄，進行進一步操作。

由于inst_在線程1中已經(jīng)被賦值，所以在線程2中可以獲取到一個非空的inst_實例，并繼續(xù)進行操作。但實際上單例對像的創(chuàng)建還沒有完成，此時進行任何的操作都是未定義的。

現(xiàn)代C++中的解決方法

在現(xiàn)代C++中，我們可以通過以下幾種方法來實現(xiàn)一個即線程安全、又高效的單例模式。

使用現(xiàn)代C++中的內(nèi)存順序限制

現(xiàn)代C++規(guī)定了6種內(nèi)存執(zhí)行順序。合理的利用內(nèi)存順序限制，即可避免代碼指令重排。一個可行的實現(xiàn)如下：

classsingleton{

public:

staticsingleton*instance()

singleton*ptr=inst_.load(memory_order_acquire);

if(ptr==nullptr){

lock_guardmutexlock{mut_};

ptr=inst_.load(memory_order_relaxed);

if(ptr==nullptr){

ptr=newsingleton();

inst_.store(ptr,memory_order_release);

returninst_;

private:

singleton(){};

staticmutexmut_;

staticatomicsingleton*inst_;

mutexsingleton::mut_;

atomicsingleton*singleton::inst_;

來看一下匯編代碼：

可以看到，編譯器幫我們插入了必要的語句來保證指令的執(zhí)行順序。

使用現(xiàn)代C++中的call_once方法

call_once也是現(xiàn)代C++中引入的新特性，它可以保證某個函數(shù)只被執(zhí)行一次。使用call_once的代碼實現(xiàn)如下：

classsingleton

public:

staticsingleton*instance()

if(inst_!=nullptr){

call_once(flag_,create_instance);

returninst_;

private:

singleton(){}

staticvoidcreate_instance()

inst_=newsingleton();

staticsingleton*inst_;

staticonce_flagflag_;

singleton*singleton::inst_=nullptr;

once_flagsingleton::flag_;

來看一下匯編代碼：

可以看到，程序最終調(diào)用了__gthrw_pthread_once來保證函數(shù)只被執(zhí)行一次。

使用靜態(tài)局部變量

現(xiàn)在C++對變量的初始化順序有如下規(guī)定：

Ifcontrolentersthedeclarationconcurrentlywhilethevariableisbeinginitialized,theconcurrentexecutionshallwaitforcompletionoftheinitialization.

所以我們可以簡單的使用一個靜態(tài)局部變量來實現(xiàn)線程安全的單例模式：

classsingleton

public:

staticsingleton*instance()

staticsingletoninst_