线程安全之单例模式

一、懒汉模式

即第一次调用该类实例的时候才产生一个新的该类实例，并在以后仅返回此实例。需要用锁来保证其线程安全性。原因：多个线程可能进入判断是否已经存在实例的if语句，从而导致线程不安全。使用Double-check Locking来保证线程安全性。但是处理大量数据时，该锁会成为严重的性能瓶颈。

1）静态成员实例的懒汉模式

class Singleton{private:static Singleton* m_instance;Singleton() {}public:static Singleton* getInstance();};Singleton* Singleton::getInstance(){if(NULL == m_instance){Lock();// 借用其他类实现，如boostif(NULL == m_instance){m_instance = new Singleton;}UnLock();}return m_instance;}

这样的代码乍看上去是没有问题的，但函数返回时，m_instance总是指向一个有效的对象。而Lock和UnLock防止了多线程竞争导致的麻烦。双重的if在这里另有妙用，可以让lock的调用开销降低到最小。

但是实际上这样的代码是有问题的。问题的来源便是CPU的乱序执行。C++里的new其实包含了两个步骤：

（1）分配内存。

（2）调用构造函数。

所以m_instance = new Singleton包含了三个步骤：

（1）分配内存。

（2）在内存的位置上调用构造函数。

（3）将内存的地址赋值给m_instance。

在这三步中，（2）和（3）的顺序是可以颠倒的。也就是说，完全有可能出现这样的情况：m_instance的值已经不是NULL，但对象仍然没有构造完毕。这时候如果出现另外一个对getInstance的并发调用，此时第一个if内的表达式m_instance == NULL为false，所以这个调用会直接返回尚未构造完全的对象的地址（m_instance）以提供给用户使用。那么程序这个时候会不会崩溃就取决于这个类的设计如何了。

因此要保证线程安全，阻止CPU换序是必须的。遗憾的是，现在并不存在可移植的阻止换序的方法。通常情况下是调用CPU提供一条指令，这条指令常常被称为barrier。一条barrier指令会阻止CPU将该指令之前的指令交换到barrier之后，反之亦然。换句话说，barrier指令的作用类似于一个拦水坝，阻止换序“穿透”这个大坝。

许多体系结构的CPU都提供barrier指令，不过它们的名称各不相同，例如POWERPC提供的其中一条指令名叫lwsync。我们可以这样来保证线程安全：

#define barrier() __asm__ volatile("lwsync")Singleton* Singleton::getInstance(){if(NULL == m_instance){Lock();// 借用其他类实现，如boostif(NULL == m_instance){Singleton* temp = new Singleton;barrier();m_instance = temp;}UnLock();}return m_instance;}

由于barrier的存在，对象的构造一定在barrier执行之前完成，因此当m_instance被赋值时，对象总是完好的。

2）内部静态实例的懒汉模式

这里需要注意的是，C++0x以后，要求编译器保证内部静态变量的线程安全性，可以不加锁。但C++0x以前仍需要加锁。

class SingletonInside{private:SingletonInside() {}public:static SingletonInside* getInstance(){Lock(); // not needed after C++0xstatic SingletonInside instance;UnLock(); // not needed after C++0xreturn instance;}};

二、饿汉模式

即无论是否调用该实例，在程序开始时就会产生一个该类的实例，并在以后仅返回此实例。

由静态初始化实例保证其线程安全性。为什么呢？因为静态实例初始化在程序开始时进入主函数之前就由主线程以单线程方式完成了初始化，不必担心初始化问题。

故在性能要求较高时，应使用这种模式，避免频繁的锁争夺。

class SingletonStatic{private:static const SingletonStatic* m_instance;SingletonStatic() {}public:static SingletonStatic* getInstance(){return m_instance;}};// 外部初始化 before invoke mainconst SingletonStatic* SingletonStatic::m_instance = new SingletonStatic;

三、一个用模板实现的单例模式

struct singleton{private:struct object_creator{object_creator() { singleton<T>::instance(); }  // 创建实例inline void do_nothing() const { } };static object_creator create_object;singleton();public:typedef  T  object_type;static object_type & instance(){static object_type obj;create_object.do_nothing();// 需要create_object的初始化return obj;}};template <typename T>  typename singleton<T>::object_creator singleton<T>::create_object;