C++设计模式之---单例模式

本文章会阐述C++最常用的设计模式—单例模式，从分类、线程安全的角度，分析有哪些解决线程安全的单例模式方案。

1、众所周知的单例
大家比较熟知的单例模式如下所示：

class singleton {
private:
    singleton() {}
    static singleton *p;
public:
    static singleton *instance();
};

singleton *singleton::p = nullptr;

singleton* singleton::instance() {
    if (p == nullptr)
        p = new singleton();
    return p;
}
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这是一个非常简单的实现，将构造函数声明为private或protect防止被外部函数实例化，内部有一个静态的类指针保存唯一的实例，实例的实现由一个public方法来实现，该方法返回该类的唯一实例。
当然这个代码只适合在单线程下，当多线程时，是不安全的。考虑两个线程同时首次调用instance方法且同时检测到p是nullptr，则两个线程会同时构造一个实例给p，这将违反了单例的准则。

2、懒汉与恶汉
单例分为两种实现方法：
懒汉
第一次用到类实例的时候才会去实例化，上述就是懒汉实现。
饿汉
单例类定义的时候就进行了实例化。
这里给出饿汉的实现：

class singleton {
private:
    singleton() {}
    static singleton *p;
public:
    static singleton *instance();
};

singleton *singleton::p = new singleton();
singleton* singleton::instance() {
    return p;
}
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当然这个是线程安全的，对于我们通常阐述的线程不安全，为懒汉模式，下面会阐述懒汉模式的线程安全代码优化。

3、多线程加锁
在C++中加锁有个类实现原理采用RAII，不用手动管理unlock，那就是lock_guard，这里采用其进行加锁。

class singleton {
private:
    singleton() {}
    static singleton *p;
    static mutex lock_;
public:
    static singleton *instance();
};

singleton *singleton::p = nullptr;

singleton* singleton::instance() {
    lock_guard<mutex> guard(lock_);
    if (p == nullptr)
        p = new singleton();
    return p;
}
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这种写法不会出现上面两个线程都执行到p=nullptr里面的情况，当线程A在执行p = new Singleton()的时候，线程B如果调用了instance()，一定会被阻塞在加锁处，等待线程A执行结束后释放这个锁。从而是线程安全的。

但是这种写法性能非常低下，因为每次调用instance()都会加锁释放锁，而这个步骤只有在第一次new Singleton()才是有必要的，只要p被创建出来了，不管多少线程同时访问，使用if (p == nullptr) 进行判断都是足够的（只是读操作，不需要加锁），没有线程安全问题，加了锁之后反而存在性能问题。

4、双重检查锁模式
上面写法是不管任何情况都会去加锁，然后释放锁，而对于读操作是不存在线程安全的，故只需要在第一次实例创建的时候加锁，以后不需要。下面先看一下DCLP的实现：

singleton* singleton::instance() {
	if(p == nullptr) {  // 第一次检查
		Lock lock;
		if(p == nullptr){ // 第二次检查
			p = new singleton;
		}
	}
	return p;
}
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基于上述，我们可以写出双重检查锁+自动回收：

class singleton {
private:
    singleton() {}

    static singleton *p;
    static mutex lock_;
public:
    static singleton *instance();

    // 实现一个内嵌垃圾回收类
    class CGarbo
    {
    public:
        ~CGarbo()
        {
            if(singleton::p)
                delete singleton::p;
        }
    };
    static CGarbo Garbo; // 定义一个静态成员变量，程序结束时，系统会自动调用它的析构函数从而释放单例对象
};

singleton *singleton::p = nullptr;
singleton::CGarbo Garbo;
std::mutex singleton::lock_;

singleton* singleton::instance() {
    if (p == nullptr) {
        lock_guard<mutex> guard(lock_);
        if (p == nullptr)
            p = new singleton();
    }
    return p;
}

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DCLP的关键在于，大多数对instance的调用会看到p是非空的，因此甚至不用尝试去初始化它。因此，DCLP在尝试获取锁之前检查p是否为空。只有当检查成功（也就是p还没有被初始化）时才会去获得锁，然后再次检查p是否仍然为空（因此命名为双重检查锁）。第二次检查是必要，因为就像我们刚刚看到的，很有可能另一个线程偶然在第一次检查之后，获得锁成功之前初始化p。

看起来上述代码非常美好，可是过了相当一段时间后，才发现这个漏洞，原因是：内存读写的乱序执行(编译器问题)。

再次考虑初始化p的那一行：
p = new singleton;

这条语句会导致三个事情的发生：

分配能够存储singleton对象的内存；
在被分配的内存中构造一个singleton对象；
让p指向这块被分配的内存。
可能会认为这三个步骤是按顺序执行的，但实际上只能确定步骤1是最先执行的，步骤2，3却不一定。问题就出现在这。

线程A调用instance，执行第一次p的测试，获得锁，按照1,3,执行，然后被挂起。此时p是非空的，但是p指向的内存中还没有Singleton对象被构造。
线程B调用instance，判定p非空， 将其返回给instance的调用者。调用者对指针解引用以获得singleton，噢，一个还没有被构造出的对象。bug就出现了。
DCLP能够良好的工作仅当步骤一和二在步骤三之前被执行，但是并没有方法在C或C++中表达这种限制。这就像是插在DCLP心脏上的一把匕首：我们需要在相对指令顺序上定义限制，但是我们的语言没有给出表达这种限制的方法。

5、memory barrier指令
DCLP问题在C++11中，这个问题得到了解决。

因为新的C++11规定了新的内存模型，保证了执行上述3个步骤的时候不会发生线程切换，相当这个初始化过程是“原子性”的的操作，DCL又可以正确使用了。

C++11之前解决方法是barrier指令。要使其正确执行的话，就得在步骤2、3直接加上一道memory barrier。强迫CPU执行的时候按照1、2、3的步骤来运行。

第一种实现：
基于operator new+placement new，遵循1,2,3执行顺序依次编写代码。

// method 1 operator new + placement new
singleton *instance() {
    if (p == nullptr) {
        lock_guard<mutex> guard(lock_);
        if (p == nullptr) {
            singleton *tmp = static_cast<singleton *>(operator new(sizeof(singleton)));
            new(tmp)singleton();
            p = tmp;
        }
    }
    return p;
}
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第二种实现：
基于直接嵌入ASM汇编指令mfence，uninx的barrier宏也是通过该指令实现的。

#define barrier() __asm__ volatile ("lwsync")
singleton *singleton::instance() {
    if (p == nullptr) {
        lock_guard<mutex> guard(lock_);
        barrier();
        if (p == nullptr) {
            p = new singleton();
        }
    }
    return p;
}
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通常情况下是调用cpu提供的一条指令，这条指令的作用是会阻止cpu将该指令之前的指令交换到该指令之后，这条指令也通常被叫做barrier。 上面代码中的asm表示这个是一条汇编指令，volatile是可选的，如果用了它，则表示向编译器声明不允许对该汇编指令进行优化。lwsync是POWERPC提供的barrier指令。