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C++中的线程安全单例模式

2023-07-03 11:39:44 深夜i -- --

C++ 线程安全单例模式

在多线程的环境下，单例模式是一种非常有用的设计模式。在C++中，单例模式可以通过静态成员变量来实现，但是需要注意线程安全性问题。如果不加措施，可能会导致多个线程同时执行单实例的初始化函数，进而破坏单例模式的设计要求。因此，在C++中实现线程安全的单例模式是一项很有挑战的任务。

下面给出一个例子，展示如何在C++中实现线程安全的单例模式。


class Singleton {
public:
  static Singleton& getInstance()
    static Singleton instance;
    return instance;
  
private:
  Singleton() {}
  ~Singleton() {}
  Singleton(const Singleton&);
  Singleton& operator=(const Singleton&);
};

在上述代码中，Singleton类的构造函数和析构函数都是私有的，这意味着不能在类外部创建Singleton实例，也不能对Singleton实例进行销毁。单例模式的唯一实例通过getInstance()方法返回，该方法使用static关键字声明，意味着可以通过Singleton::getInstance()的方式调用它。

上述代码看似简单，但实际上存在线程安全问题。当多个线程同时调用getInstance()方法时，可能会导致多个线程创建Singleton实例，违反了单例模式要求的唯一性。

为了解决这个问题，在C++11之前，可以使用锁来控制并发访问getInstance()方法，防止多个线程同时执行初始化操作。例如，可以使用pthread_mutex_lock()和pthread_mutex_unlock()函数实现线程安全的单例模式，如下所示：


class Singleton {
public:
  static Singleton& getInstance() {
    pthread_mutex_lock(&mutex_);
    static Singleton instance;
    pthread_mutex_unlock(&mutex_);
    return instance;
  }
private:
  Singleton() {}
  ~Singleton() {}
  Singleton(const Singleton&);
  Singleton& operator=(const Singleton&);
  static pthread_mutex_t mutex_;
};
pthread_mutex_t Singleton::mutex_ = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

在上述代码中，创建了一个名为mutex_的静态成员变量，该变量用于控制getInstance()方法的并发访问。在getInstance()方法的开头，使用pthread_mutex_lock()函数获取mutex_的互斥锁，保证只有一个线程同时执行初始化操作。在创建Singleton实例之后，使用pthread_mutex_unlock()函数释放mutex_的互斥锁，允许其他线程执行初始化操作。

在C++11之后，可以使用atomic变量来实现线程安全的单例模式，如下所示：


class Singleton {
public:
  static Singleton& getInstance() {
    static Singleton& instance = initInstance();
    return instance;
  }
private:
  Singleton() {}
  ~Singleton() {}
  Singleton(const Singleton&);
  Singleton& operator=(const Singleton&);
  static std::atomic<Singleton*> instance_;
  static Singleton& initInstance() {
    Singleton* p = new Singleton;
    instance_.store(p);
    return *p;
  }
};
std::atomic<Singleton*> Singleton::instance_(nullptr);

在上述代码中，创建了一个名为instance_的静态atomic 类型的变量，通过使用std::atomic<>()函数，确保instance_是原子类型的变量。instance_在getInstance()方法的内部进行初始化，使用initInstance()函数来生成唯一的实例。实现过程中使用了atomic::load()和atomic::store()函数来对instance_进行读写操作。

总的来说，C++中的线程安全单例模式需要注意并发访问的问题，根据不同的环境可以采用不同的解决方案，保证线程安全。

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