浅析单例模式与线程安全(Linux环境c++版本)

什么是单例模式

单例模式是设计模式中一种常用模式，定义是Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it.（确保某个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例）

用《设计模式之禅》里的话说，就是，在一个系统中，要求一个类有且仅有一个对象，如果出现多个就会出现“不良反应”，比如以下情景可能会用到单例模式

要求生成唯一序列号的环境
在整个项目中需要一个共享访问点或者共享数据，例如一个Web页面上的计数器，可以不用把每次的刷新纪录都记录到数据库中，使用单例模式保持计数器的值(要涉及到稍后谈到的线程安全)
创建一个对象需要都消耗资源过多，比如访问IO和数据库资源
需要定义大量的静态常量和静态方法(如工具类)

单例模式的优点

由于单例模式在内存中只有一个实例，减少了内存开支，特别是一个对象需要频繁地创建、销毁时，而且创建或销毁时性能又无法优化，单例模式的作用很明显
减少了系统的性能开支，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取数据，产生其他依赖对象时，可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，永驻内存
避免对资源的多重占用，例如写一个文件动作，由于只有一个实例存在内存中，避免了对同一个资源的同时写操作
可以在系统设置全局的访问点，优化共享资源，例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理

单例模式实现

单线程实现

说了这么多，但是模式如何设计？

为了避免后面的派生类继承这个类，误将该类多次初始化(即内存中多个备份)，我们应该将其构造函数设为私有，并且把唯一的一次初始化留到静态函数中，比如c++写出来是这样的

#include <iostream>

template<typename T>
class Singleton
{
public:
static T& instance()
{
if (flag_init)
{
flag_init = false;
flag_destory = true;
init();
}
return *value_;
}

static void init()
{
value_ = new T();
}

static void destory()
{
if (flag_destory)
{
flag_destory = false;
suicide();
}
}

static void suicide()
{
delete value_;
}

private:
static T* value_;       //只进行一次的初始化的指针
static bool flag_init;     //表明是否可以进行初始化的标志位
static bool flag_destory; //表明是否进行过销毁的标志位

Singleton(){}            //私有函数，导致无法多次初始化这个类
~Singleton(){}           //私有函数，导致无法多次销毁这个类
};

//静态变量必须在外面初始化
template<typename T>
T* Singleton<T>::value_ = NULL;

template<typename T>
bool Singleton<T>::flag_destory = false;

template<typename T>
bool Singleton<T>::flag_init = true;

//测试单例是否可用的测试类
class Example
{
public:
Example(){value = 0;}
~Example(){}

void tool()
{
value++;
std::cout << value<< std::endl;
}
private:
int value;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
Example& ex1 = Singleton<Example>::instance();
ex1.tool();

Example& ex2 = Singleton<Example>::instance();
ex2.tool();

Singleton<Example>::destory();
Singleton<Example>::destory();

return 0;
}

输出两次分别是1 和 2 表示操纵的是同一个对象，内存中只有一份，多次销毁，无效的销毁也会被忽略

多线程实现

但是这样就行了吗，如果在多线程会怎么样， 如果是多线程的话，在同时修改创建或者销毁的两个bool值时就可能发生错误。

那么怎么解决呢，有人提出了DCLP(double checked locking pattern)机制，结合互斥锁mutex，询问两次的方法。

分析：

当多个线程同时进入instance()时，都会发现第一个if (value_ == NULL)为真，之后开始竞争，拿到锁的线程会直接通过第二个if (value_ == NULL)进行初始化，然后释放锁，其他的线程拿到之后会到达第二个if ，此时实例已经被初始化，直接返回实例，不会进行二次初始化

实现如下

<span style="font-size:12px;">#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include "Mutex.h"

template<typename T>
class Singleton
{
public:
static T& instance()
{
if (value_ == NULL)
{
MutexLockGuard guard(mutex_); //这个表示区域锁，实现后附代码，原理参见《Linux多线程服务端编程》陈硕著
if (value_ == NULL)
{
init();
}
}
return *value_;
}

static void init()
{
value_ = new T();
}

private:
static T* value_;

static MutexLock mutex_;

Singleton(){}
~Singleton(){}
};

//静态变量必须在外面初始化
template<typename T>
T* Singleton<T>::value_ = NULL;
template<typename T>
MutexLock Singleton<T>::mutex_;

//测试单例是否可用的测试类
class Example : boost::noncopyable
{
public:
Example(){value = 0;}
~Example(){}

void tool()
{
value++;
std::cout << value<< " ";
}
private:
int value;
};

void* thread(void*arg)
{
Example& ex3 = Singleton<Example>::instance();
ex3.tool();

return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
pthread_t tid;

pthread_create(&tid, NULL, thread, NULL);
pthread_create(&tid, NULL, thread, NULL);
pthread_create(&tid, NULL, thread, NULL);
pthread_create(&tid, NULL, thread, NULL);
pthread_create(&tid, NULL, thread, NULL);
pthread_create(&tid, NULL, thread, NULL);
pthread_create(&tid, NULL, thread, NULL);
pthread_create(&tid, NULL, thread, NULL);
pthread_create(&tid, NULL, thread, NULL);

Example& ex1 = Singleton<Example>::instance();
ex1.tool();
sleep(1);

return 0;
}</span>

编译时记得加参数。。。-pthread

Mutex.h代码

运行检测，好像多线程也没什么问题，但是这样真的可以吗，国外大神过来打脸了

meyers大神的一篇文章

meyers指出 new Singleton，这步(也就是init()函数里的new)在真正运行时会分解成三个行为

 分配内存

 构造实例对象

 将指针指向分配的内存

这三个指令可能会被CPU重排，然后执行顺序发生变化比如 3->1->2

这在一般情况下不会有异常，因为乱序执行就是cpu的一种优化手段(详情自行查阅，内容很多，不展开叙述)，而且在外层有互斥锁的保护。但是，我们的互斥锁的保护是有条件的，只有先经过第一个if 判断才能进入互斥锁保护范围，而这个条件却被3所影响，倘若cpu先执行了3，这时另一个cpu同时进行 1处的判断，发现指针已不为空，直接返回对象供上层使用，而这时你返回的却是一个根本还没构造完毕的对象！

pthread_once解决DCLP问题

pthread_once()由Pthreads库保证，某个函数在多线程下只执行一次，实现出来是这样的：

#include <iostream>
#include <boost/noncopyable.hpp>

template<typename T>
class Singleton
{
public:
static T& instance()
{
pthread_once(&ponce_, &Singleton::init);
return *value_;
}

static void init()
{
value_ = new T();
}

private:
static pthread_once_t ponce_;
static T* value_;
};

template<typename T>
pthread_once_t Singleton<T>::ponce_ = PTHREAD_ONCE_INIT;

template<typename T>
T* Singleton<T>::value_ = NULL;

有人会问了，pthread_once是怎么解决这个问题的呢，看源码把

<span style="font-size:12px;">int
__pthread_once (once_control, init_routine)
pthread_once_t *once_control;
void (*init_routine) (void);
{
/* XXX Depending on whether the LOCK_IN_ONCE_T is defined use a
global lock variable or one which is part of the pthread_once_t
object.  */
if (*once_control == PTHREAD_ONCE_INIT)
{
lll_lock (once_lock, LLL_PRIVATE);

/* XXX This implementation is not complete.  It doesn't take
cancelation and fork into account.  */
if (*once_control == PTHREAD_ONCE_INIT)
{
init_routine ();

*once_control = !PTHREAD_ONCE_INIT;
}

lll_unlock (once_lock, LLL_PRIVATE);
}

return 0;
}</span>

看了以下，发现这个实现其实就是DCLP机制，不信你看

 if (*once_control == PTHREAD_ONCE_INIT)出现了两次，原理上和之前我们自己写的差不多，那它为什么可靠呢，其实关键在于

<span style="font-size:12px;">  lll_lock (once_lock, LLL_PRIVATE);</span>

经过查询和查大神博客，这个是一个基于gcc内嵌指令的宏，不同硬件平台实现不一样，我们只记作用就好，作用是

不要把这段指令和前面的指令重排，也就是前面的指令必须按序执行
不要把变量缓存到寄存器
所以就避免了CPU指令乱序重排，有人对c++比较熟，会说那我给之前的变量加上volatile关键字就好了，对，但是linux下的c++，这里特指c++98标准的volatile很鸡肋，没有做到内存屏障的作用也就无法实现控制指令顺序的作用，所以自己很难实现，直接用pthread_once就好，如果是新的版本可以尝试最初的DCLP做法，这里有详细博文，我就不赘述了

c++11标准下DCLP

static 和 线程安全

出现了这么一种形式的Singleton，引起了讨论



局部static对象会在第一次调用时初始化没错，但是构造函数执行过程中万一有另一个线程也调用了。singleton没构造完成就暴露出去了啊。

我们在Linux进行如下实验

就是2个线程同时调用instance，instance中的构造函数故意延时1s后初始化数值为100，结果g++保证了local static初始化的线程安全

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

using namespace::std;

class Singleton
{
public:
static bool flag;
static Singleton& instance()
{
static Singleton singleton;
return singleton;
}
int getTemp()
{
return temp;
}
private:
int temp;
Singleton(){
if (!Singleton::flag)
{
sleep(1);
return;
}
temp = 100;
}
~Singleton(){}
};

bool Singleton::flag = false;

void* thread(void*arg)
{
Singleton::flag = true;
cout << "thread temp:" << Singleton::instance().getTemp() << endl;

return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
pthread_t tid;

pthread_create(&tid, NULL, thread, NULL);
cout << "Main temp:" << Singleton::instance().getTemp() << endl;
pthread_join(tid, NULL);

return 0;
}

发现始终输出两个0，线程安全，我们用strace -F ./a.out 运行发现



futex是系统实现mutex的锁机制，我们发现自己程序中没有任何锁，但是运行时自动上锁了，经过查询，发现，这个和线程相关的Static性质是g++自己加上的patch，patch地址

除了g++，各编译器版本对静态函数的线程安全支持如下

下图网址在这里http://wiki.apache.org/stdcxx/C%2B%2B0xCompilerSupport

一些细枝末节

前面代码中出现了继承boost::noncopyable，这个是一个常用做法，noncopyable类把构造函数和析构函数设置成protected权限，这样子类可以调用，外面的类不能调用，说白了就是外面的调用者不能够通过赋值和copy构造新子类

#include <boost/noncopyable>

class Example: public boost::noncopyable
{
public:
Example(){};
 Example(int i){};
};

int main()
{
Example cl1();
Example cl2(1);

//Example cl3(cl1);    // error
//Example cl4(cl2);    // error

return 0;
}

最后奉上皓叔的单例模式讲解，这个是以java为例的

单例模式java

本文在阅读书籍和查阅网上资料完成，如有不足之处，请提出

参考资料：

《Linux多线程服务端编程》陈硕 著

《设计模式之禅》秦小波 著