C++单例实现的坑

单例本来是个很简单的模式，实现上应该也是很简单，但C++单例的简单实现会有一些坑，来看看为了避免这些坑怎样一步步演化到boost库的实现方式。

方案一

class QMManager{public:    static QMManager &instance()    {        static QMManager instance_;        return instance_;    }}

这是最简单的版本，在单线程下(或者是C++0X下)是没任何问题的，但在多线程下就不行了，因为static QMManager instance_;这句话不是线程安全的。
在局部作用域下的静态变量在编译时，编译器会创建一个附加变量标识静态变量是否被初始化，会被编译器变成像下面这样（伪代码）：

static QMManager &instance(){    static bool constructed = false;    static uninitialized QMManager instance_;    if (!constructed) {        constructed = true;        new(&s) QMManager; //construct it    }    return instance_;}

这里有竞争条件，两个线程同时调用instance()时，一个线程运行到if语句进入后还没设constructed值，此时切换到另一线程，constructed值还是false，同样进入到if语句里初始化变量，两个线程都执行了这个单例类的初始化，就不再是单例了。

方案二

一个解决方法是加锁：

static QMManager &instance(){    Lock(); //锁自己实现    static QMManager instance_;    UnLock();    return instance_;}

但这样每次调用instance()都要加锁解锁，代价略大。

方案三

那再改变一下，把内部静态实例变成类的静态成员，在外部初始化，也就是在include了文件，main函数执行前就初始化这个实例，就不会有线程重入问题了：

class QMManager{protected:    static QMManager instance_;    QMManager();    ~QMManager(){};public:    static QMManager *instance()    {        return &instance_;    }    void do_something();};QMManager QMManager::instance_; //外部初始化

这被称为饿汉模式，程序一加载就初始化，不管有没有调用到。

看似没问题，但还是有坑，在一个2B情况下会有问题：在这个单例类的构造函数里调用另一个单例类的方法可能会有问题。

看例子：

//.hclass QMManager{protected:    static QMManager instance_;    QMManager();    ~QMManager(){};public:    static QMManager *instance()    {        return &instance_;    }};class QMSqlite{protected:    static QMSqlite instance_;    QMSqlite();    ~QMSqlite(){};public:    static QMSqlite *instance()    {        return &instance_;    }    void do_something();};QMManager QMManager::instance_;QMSqlite QMSqlite::instance_;

 

//.cppQMManager::QMManager(){    printf("QMManager constructor\n");    QMSqlite::instance()->do_something();}QMSqlite::QMSqlite(){    printf("QMSqlite constructor\n");}void QMSqlite::do_something(){    printf("QMSqlite do_something\n");}

这里QMManager的构造函数调用了QMSqlite的instance函数，但此时QMSqlite::instance_可能还没有初始化。

这里的执行流程：程序开始后，在执行main前，执行到QMManager QMManager::instance_;这句代码，初始化QMManager里的instance_静态变量，调用到QMManager的构造函数，在构造函数里调用QMSqlite::instance()，取QMSqlite里的instance_静态变量，但此时QMSqlite::instance_还没初始化，问题就出现了。

那这里会crash吗，测试结果是不会，这应该跟编译器有关，静态数据区空间应该是先被分配了，在调用QMManager构造函数前，QMSqlite成员函数在内存里已经存在了，只是还未调到它的构造函数，所以输出是这样：

QMManager constructor
QMSqlite do_something
QMSqlite constructor

方案四

那这个问题怎么解决呢，单例对象作为静态局部变量有线程安全问题，作为类静态全局变量在一开始初始化，有以上2B问题，那结合下上述两种方式，可以解决这两个问题。boost的实现方式是：单例对象作为静态局部变量，但增加一个辅助类让单例对象可以在一开始就初始化。如下：

//.hclass QMManager{protected:    struct object_creator    {        object_creator()        {            QMManager::instance();        }        inline void do_nothing() const {}    };    static object_creator create_object_;    QMManager();    ~QMManager(){};public:    static QMManager *instance()    {        static QMManager instance;        return &instance;    }};QMManager::object_creator QMManager::create_object_;class QMSqlite{protected:    QMSqlite();    ~QMSqlite(){};    struct object_creator    {        object_creator()        {            QMSqlite::instance();        }        inline void do_nothing() const {}    };    static object_creator create_object_;public:    static QMSqlite *instance()    {        static QMSqlite instance;        return &instance;    }    void do_something();};QMManager::object_creator QMManager::create_object_;QMSqlite::object_creator QMSqlite::create_object_;

结合方案3的.cpp，这下可以看到正确的输出和调用了：

QMManager constructor
QMSqlite constructor
QMSqlite do_something

来看看这里的执行流程：

初始化QMManager类全局静态变量create_object_
->调用object_creator的构造函数
->调用QMManager::instance()方法初始化单例
->执行QMManager的构造函数
->调用QMSqlite::instance()
->初始化局部静态变量QMSqlite instance
->执行QMSqlite的构造函数，然后返回这个单例。

跟方案三的区别在于QMManager调用QMSqlite单例时，方案3是取到全局静态变量，此时这个变量未初始化，而方案四的单例是静态局部变量，此时调用会初始化。

跟最初方案一的区别是在main函数前就初始化了单例，不会有线程安全问题。

最终boost

上面为了说明清楚点去除了模版，实际使用是用模版，不用写那么多重复代码，这是boost库的模板实现：

template <typename T>struct Singleton{    struct object_creator    {        object_creator(){ Singleton<T>::instance(); }        inline void do_nothing()const {}    };    static object_creator create_object;public:    typedef T object_type;    static object_type& instance()    {        static object_type obj;        //据说这个do_nothing是确保create_object构造函数被调用        //这跟模板的编译有关        create_object.do_nothing();        return obj;    }};template <typename T> typename Singleton<T>::object_creator Singleton<T>::create_object;class QMManager{protected:    QMManager();    ~QMManager(){};    friend class Singleton<QMManager>;public:    void do_something(){};};int main(){    Singleton<QMManager>::instance()->do_something();    return 0;}

其实Boost库这样的实现像打了几个补丁，用了一些奇技淫巧，虽然确实绕过了坑实现了需求，但感觉挺不好的。

转自 http://blog.cnbang.net/tech/2229/