C++：谈谈单例模式的多种实现形式

4 个月前 · 来自专栏 C++ 笔记

摸鱼呀

有花开时直须折，莫待无花空折枝

笔者主要是想借本文介绍一下 C++ 11 静态局部变量的 magic static 特性。

单例模式：保证一个类仅有一个实例，并提供一个该实例的全局访问点。

稳定点：类只有一个实例，提供全局
变化点：有多个类都是单例，能否复用代码

实现 1：静态成员

构造函数和析构函数私有化
禁掉拷贝构造、拷贝赋值、移动构造、移动赋值
静态成员函数
静态私有成员

前两点针对唯一实例，后两点针对全局访问。

问题：当程序结束后，不会调用析构函数，堆上资源无法释放，内存泄漏。虽然程序结束后，堆上所有的数据被销毁，但是无法保存需要持久化的数据。

 class Singleton {
 public:
     // 静态成员函数：全局访问点
     static Singleton* getInstance() {
         if(nullptr == _pInstance) {
             _pInstance = new Singleton();
         return _pInstance;
 private:
     // 构造函数和析构函数私有化
     Singleton(); 
     ~Singleton(); 
     // 禁掉拷贝构造、拷贝赋值、移动构造、移动赋值
     Singleton(const Singleton &) = delete;
     Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
     Singleton(Singleton &&) = delete;
     Singleton& operator=(Singleton &&) = delete;
 private:
     // 静态成员：静态成员函数只能访问静态成员
     static Singleton* _pInstance;
 // 静态成员需要初始化
 Singleton* Singleton::_instance = nullptr;

实现 2：atexit + 懒汉模式

atexit 函数：在进程结束后利用回调函数自动释放堆空间。

 /* 
 功能：注册给定函数，并在进程结束后调用该函数
 参数：函数指针，指向被调用的函数(返回值、参数均为void) 
 #include <stdlib.h>
 int atexit(void (*function)(void));

利用这一特性，在进程结束时 atexit 函数调用销毁函数，完成析构工作。

问题：atexit 函数本身安全，但是多线程环境下。存在线程安全问题。

 static Singleton* getInstance() {
     if(nullptr == _pInstance) {
         // 问题：多个并发线程可能同时创建对象
         _pInstance = new Singleton();
         atexit(Singleton::Destructor);
     return _pInstance;

为保证线程安全，需要加锁。对于加锁操作，只有第一次写操作创建对象的时候，需要加锁；其他时候都是读操作，没有必要加锁。因此这里在实现的时候可以采用双重检测 double check 的技巧。

 #include <stdlib.h>
 class Singleton {
 public:
     static Singleton* getInstance() {
         // 线程安全，双重检测：double check      
         if (nullptr == _pInstance) {
             std::lock_guard<std::mutex> lock(_mutex);
             if (nullptr == _pInstance) {
                 // 问题：多线程环境下，cpu reorder
                 _pInstance = new Singleton();
                 // 注册回调函数，进程结束后，调用销毁函数
                 atexit(Singleton::Destructor);
         return _pInstance;
 private:
     Singleton(); 
     ~Singleton(); 
     Singleton(const Singleton &) = delete;
     Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
     Singleton(Singleton &&) = delete;
     Singleton& operator=(Singleton &&) = delete;
     // 注册销毁函数为atexit的回调函数，用于在进程结束后释放堆空间
     static void Destructor() {
         if (nullptr != _instance) { 
             delete _instance;
             _instance = nullptr;
 private:
     static Singleton* _pInstance;
 Singleton* Singleton::_instance = nullptr;

问题：new 操作符指令重排

C++ 98 表达单线程语义。而在多核多线程的情况下，若 cpu 指令重排，例如：对于 new 运算符的指令执行：分配内存、调用构造函数、返回指针。若发生 cpu 指令重排，会优化为分配内存、返回指针，却还没有调用构造函数初始化数据。此时，若有其他线程访问，可能造成程序的崩溃。

实现 3：原子变量 + 懒汉模式

C++ 11：多线程语义，cpu 指令重排，提供同步原语：原子变量、内存屏障等

原子变量解决

原子性问题
可见性问题：load 可以看见其他线程最新操作的数据， store 修改数据让其他线程可见
执行序问题： memory_order_acuire 不能重排指令， memory_order_release 松散指令，可以重排指令。

内存屏障（内存栅栏）解决

可见性问题
执行序问题

使用原子变量解决原子性、可见性、执行序

 class Singleton {
 public:
     static Singleton * GetInstance() {
         Singleton* tmp = _instance.load(std::memory_order_acquire);
         if (tmp == nullptr) {
             std::lock_guard<std::mutex> lock(_mutex);
             tmp = _instance.load(std::memory_order_acquire);
             if (tmp == nullptr) {
                 tmp = new Singleton;
                 _instance.store(tmp, memory_order_release);
                 atexit(Destructor);
         return tmp;
     static std::atomic<Singleton*> _instance;
     static std::mutex _mutex;
 std::atomic<Singleton*> Singleton::_instance; // 静态成员需要初始化
 std::mutex Singleton::_mutex;                // 互斥锁初始化

改进：若构造函数中存在其他原子性操作，则可以使用松散的指令执行方式，提升运行速度。使用内存屏障，避免 tmp 指针在 new 操作未执行完就返回给用户。

原子变量解决：原子性、可见性
内存栅栏解决：执行序

 class Singleton {
 public:
     static Singleton * GetInstance() {
         Singleton* tmp = _instance.load(std::memory_order_relaxed);
         // 获取内存屏障
         std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);
         if (tmp == nullptr) {
             std::lock_guard<std::mutex> lock(_mutex);
             tmp = _instance.load(std::memory_order_relaxed);
             if (tmp == nullptr) {
                 tmp = new Singleton;
                 // 释放内存屏障
                 std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);
                 _instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed);
                 atexit(Destructor);
         return tmp;
     static std::atomic<Singleton*> _instance;
     static std::mutex _mutex;
 std::atomic<Singleton*> Singleton::_instance; // 静态成员需要初始化
 std::mutex Singleton::_mutex;                // 互斥锁初始化

问题：代码复杂，书写困难。

实现4：atexit + 饿汉模式

懒汉模式是延迟加载，饿汉模式是提前加载。当系统开始运行，加载类的时候就初始化类实例，其他线程无法再创建实例，实现线程安全。

 class Singleton {
 public:
     static Singleton* Singleton::getInstance() {
         if(nullptr == _pInstance) {
             _pInstance = new Singleton();
             atexit(Singleton::Destructor);
         return _pInstance;
 // 全局初始化，使其在进程创建之前就不为空，防止子进程创建对象
 Singleton* Singleton::_instance = getInstance();

问题：无论是否需要该类实例，都必须提前创建。

* 实现5：magic static

源自：C++ effective，C++ 11 magic static 特性，参考官方文档：静态局部变量 static / thread local ，推荐使用。

静态局部变量在初始化的时候，并发线程同时进入声明语句，并发线程会阻塞等待其初始化结束。线程安全。
静态局部变量首次经过它的声明才会被初始化，在其后所有的调用中，声明都会被跳过。

因此，使用定义在栈上的局部静态变量保存单例对象，具备所有优点：

延迟加载
系统自动调用析构函数，回收内存
没有 new 操作带来的 cpu reorder 操作
线程安全

 class Singleton {
 public:
     static Singleton& GetInstance() {
         // magic static
         // 定义在栈上的局部静态变量，进程结束后自动释放
         static Singleton instance;
         return instance;
 private:
     Singleton(); 
     ~Singleton();