【学习笔记】实现线程安全的懒汉单例模式（C++实现）

在程序设计中，难免有一种类会反复被实例化调用。如果这种类被反复实例化，会浪费很多内存空间和实例化过程中的性能下降。然而，class="superseo">单例模式很好的解决了这个问题。

下面来看一下懒汉单例模式实现

单例模式（线程不安全）

class Singleton
{
public:
    static Singleton* get_instance()
    {
        if(!m_instance) m_instance = new Singleton();
        return m_instance;
    }
private:
    static Singleton* m_instance;
    Singleton(){}
    ~Singleton(){}
    Singleton(const Singleton& s) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete;
};

Singleton* Singleton::m_instance;

上面的写法在单线程下是没有问题的，但是多线程情况下，无法保证只生成一个实力，因为我们知道get_instance中line6处存在对临界资源的访问。有关线程安全的讨论在下面会讲到。

单例模式（线程安全） 1. 加锁

刚刚我们说道，get_instance中line6处存在对临界资源的访问。对于临界资源的反问，需要加锁进行处理

class Singleton
{
public:
    static Singleton* get_instance()
    {
        if(!m_instance)
        {
            lock_guard<mutex> lg(m_mutex);
            m_instance = new Singleton();
        }
        return m_instance;
    }
private:
    static Singleton* m_instance;
    static mutex m_mutex;
    Singleton(){}
    ~Singleton(){}
    Singleton(const Singleton& s) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete;
};

Singleton* Singleton::m_instance;
mutex Singleton::m_mutex;

2.双检测锁

同一时刻可能有多个线程尝试拿到锁，但只有第一个线程会拿到锁，后面的线程拿不到锁会阻塞，问题是，其他阻塞的线程总有拿到锁的一天，那么这些就都会进入if里面执行里面的语句。

解决方法很简单，只需要在if里面在判断一次指针是否已经分配内存即可。

class Singleton
{
public:
    static Singleton* get_instance()
    {
        if(!m_instance)
        {
            lock_guard<mutex> lg(m_mutex);
            if(m_instance) return m_instance;
            m_instance = new Singleton();
        }
        return m_instance;
    }
private:
    static Singleton* m_instance;
    static mutex m_mutex;
    Singleton(){}
    ~Singleton(){}
    Singleton(const Singleton& s) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete;
};

Singleton* Singleton::m_instance;
mutex Singleton::m_mutex;

3.避免指令重排

指令重排详见：指令重排 、 内存顺序

简单来说，在if语句里，为了优化 *** 作，编译器会将语句执行顺序进行重新排序，比如上面的代码，申请堆内存放在读取if中m_instance指针的前面。

这是我们不愿意看到的，为了解决这一问题，我们引入了atomic(C++11)解决。

在初始化时，构造函数参数为空，内存排序属性默认为memory_order_seq_cst。简单来说我初始化了static atomic m_instance;,我先后执行了读取和赋值 *** 作，这两个的 *** 作的先后顺序是不会被指令重排优化的。

class Singleton
{
public:
    static Singleton* get_instance()
    {
        Singleton* temp = m_instance.load();
        if(!temp)
        {
            lock_guard<mutex> lg(m_mutex);
            temp = m_instance.load();
            if(temp) return temp;
            m_instance.store(temp = new Singleton());
        }
        return temp;
    }
private:
    static mutex m_mutex;
    static atomic<Singleton*> m_instance;
    Singleton(){}
    ~Singleton(){}
    Singleton(const Singleton& s) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete;
};

mutex Singleton::m_mutex;
atomic<Singleton*> Singleton::m_instance;

至此，我们就实现了一个线程安全的懒汉单例模式。

C++11新特性

C++11有一个新特性，那就是在函数中static变量的初始化是线程安全的。

那么实现一个线程安全的懒汉单例模式就简单很多了。

class Singleton
{
public:
    static Singleton* get_instance()
    {
        static Singleton* m_instance = new Singleton();
        return m_instance;
    }
private:
    Singleton(){}
    ~Singleton(){}
    Singleton(const Singleton& s) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete;
};

参考资料

CSDN:指令重排
cppreference:内存顺序