C++單例模式與線程安全

1. 教科書裏的單例模式

　　我們都很清楚一個簡單的單例模式該怎樣去實現：構造函數聲明爲private或protect防止被外部函數實例化，內部保存一個private static的類指針保存唯一的實例，實例的動作由一個public的類方法代勞，該方法也返回單例類唯一的實例。

　　上代碼：

class singleton
{
protected:
    singleton(){}
private:
    static singleton* p;
public:
    static singleton* instance();
};
singleton* singleton::p = NULL;
singleton* singleton::instance()
{
    if (p == NULL)
        p = new singleton();
    return p;
}

       這是一個很棒的實現，簡單易懂。但這是一個完美的實現嗎？不！該方法是線程不安全的，考慮兩個線程同時首次調用instance方法且同時檢測到p是NULL值，則兩個線程會同時構造一個實例給p，這是嚴重的錯誤！同時，這也不是單例的唯一實現！

2. 懶漢與餓漢

　　單例大約有兩種實現方法：懶漢與餓漢。

 

• 懶漢：故名思義，不到萬不得已就不會去實例化類，也就是說在第一次用到類實例的時候纔會去實例化，所以上邊的經典方法被歸爲懶漢實現；
• 餓漢：餓了肯定要飢不擇食。所以在單例類定義的時候就進行實例化。

　　特點與選擇：

• 由於要進行線程同步，所以在訪問量比較大，或者可能訪問的線程比較多時，採用餓漢實現，可以實現更好的性能。這是以空間換時間。
• 在訪問量較小時，採用懶漢實現。這是以時間換空間。
• 懶漢模式是以時間換空間
• 餓漢模式是以空間換時間

3. 線程安全的懶漢實現

　　線程不安全，怎麼辦呢？最直觀的方法：加鎖。

• 方法1：加鎖的經典懶漢實現：

#include <pthread.h>

class singleton
{
protected:
    singleton(){}
private:
    static singleton* p;
public:
    static pthread_mutex_t mutex;
    static singleton* getInstance();
};

pthread_mutex_t singleton::mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
singleton* singleton::p = NULL;
singleton* singleton::getInstance()
{
    if (p == NULL)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if (p == NULL)
            p = new singleton();
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return p;
}

• 方法2：內部靜態變量的懶漢實現

　　此方法也很容易實現，在instance函數裏定義一個靜態的實例，也可以保證擁有唯一實例，在返回時只需要返回其指針就可以了。推薦這種實現方法，真得非常簡單。

#include <pthread.h>

class singleton
{
protected:
    singleton(){}
public:
    static pthread_mutex_t mutex;
    static singleton* getInstance();
};

pthread_mutex_t singleton::mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
singleton* singleton::getInstance()
{
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    static singleton obj;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return &obj;
}

4. 餓漢實現

　　餓漢實現本來就是線程安全的，不用加鎖。

class singleton
{
protected:
    singleton()
    {}
private:
    static singleton* p;
public:
    static singleton* getInstance();
};
singleton* singleton::p = new singleton;
singleton* singleton::getInstance()
{
    return p;
}

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