如何寫一個線程安全的單例模式？

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：

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class singleton
{
public:
	static singleton* instance()
	{
		if (inst_ != nullptr) { 
			inst_ = new singleton();
		}
		return inst_;
	}
private:
	singleton(){}
	static singleton* 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：

1. 線程1執(zhí)行完if (inst_ != nullptr)之后，掛起了；
2. 線程2執(zhí)行instance函數(shù)：由于inst_還未被賦值，程序會inst_ = new singleton()語句；
3. 線程1恢復，inst_ = new singleton()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：

class singleton
{
public:
	static singleton* instance()
	{
		guard<mutex> lock{ mut_ };
		if (inst_ != nullptr) {
			inst_ = new singleton();
		}
		return inst_;
	}
private:
	singleton(){}
	static singleton* inst_;
	static mutex mut_;
};

singleton* singleton::inst_ = nullptr;
mutex singleton::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啊！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：

...
	static singleton* instance()
	{
		if (inst_ != nullptr) {
			guard<mutex> lock{ mut_ };
			if (inst_ != nullptr) {
				inst_ = new singleton();
			}
		}
		return inst_;
	}
...

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。Scott Meyers 和 Andrei Alexandrescu 兩位大神在C++ and the Perils of Double-Checked Locking 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_ = new singleton();

這一行。這句代碼不是原子的，它通常分為以下三步：

1. 調(diào)用operator new為singleton對象分配內(nèi)存空間；
2. 在分配好的內(nèi)存空間上調(diào)用singleton的構(gòu)造函數(shù)；
3. 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：

1. 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；
2. 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：

class singleton {
public:
	static singleton* instance()
	{
		singleton* ptr = inst_.load(memory_order_acquire);
		if (ptr == nullptr) {
			lock_guard<mutex> lock{ mut_ };
			ptr = inst_.load(memory_order_relaxed);
			if (ptr == nullptr) {
				ptr = new singleton();
				inst_.store(ptr, memory_order_release);
			}
		}
	
		return inst_;
	}
private:
	singleton(){};
	static mutex mut_;
	static atomic<singleton*> inst_;
};

mutex singleton::mut_;
atomic<singleton*> 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：

class singleton
{
public:
	static singleton* instance()
	{
		if (inst_ != nullptr) {
			call_once(flag_, create_instance);
		}
		return inst_;
	}
private:
	singleton(){}
	static void create_instance()
	{
		inst_ = new singleton();
	}
	static singleton* inst_;
	static once_flag flag_;
};

singleton* singleton::inst_ = nullptr;
once_flag singleton::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：

If control enters the declaration concurrently while the variable is being initialized, the concurrent execution shall wait for completion of the initialization.

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：

class singleton
{
public:
	static singleton* instance()
	{
		static singleton inst_;
		return &inst_;
	}
private:
	singleton(){}
};

來看一下匯編代碼：

可以看到，編譯器已經(jīng)自動幫我們插入了相關(guān)的代碼，來保證靜態(tài)局部變量初始化的多線程安全性。

全文完。

名稱欄目：【多線程那些事兒】如何使用C++寫一個線程安全的單例模式？
URL地址：http://chinadenli.net/article34/dsoiepe.html

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