C++实现线程安全的单例模式

在某些应用环境下面，一个类只允许有一个实例，这就是著名的单例模式。单例模式分为懒汉模式，跟饿汉模式两种。

首先给出饿汉模式的实现

template <class T>
class singleton
{
protected:
    singleton(){};
private:
    singleton(const singleton&){};//禁止拷贝
    singleton& operator=(const singleton&){};//禁止赋值
    static T* m_instance;
public:
    static T* GetInstance();
};


template <class T>
T* singleton<T>::GetInstance()
{
    return m_instance;
}

template <class T>
T* singleton<T>::m_instance = new T();

在实例化m_instance 变量时，直接调用类的构造函数。顾名思义，在还未使用变量时，已经对m_instance进行赋值，就像很饥饿的感觉。这种模式，在多线程环境下肯定是线程安全的，因为不存在多线程实例化的问题。 

下面来看懒汉模式

template <class T>
class singleton
{
protected:
    singleton(){};
private:
    singleton(const singleton&){};
    singleton& operator=(const singleton&){};
    static T* m_instance;
public:
    static T* GetInstance();
};


template <class T>
T* singleton<T>::GetInstance()
{
    if( m_instance == NULL)
    { 
        m_instance = new T();
    }
    return m_instance;
}

template <class T>
T* singleton<T>::m_instance = NULL;

懒汉模式下，在定义m_instance变量时先等于NULL，在调用GetInstance()方法时，在判断是否要赋值。这种模式，并非是线程安全的，因为多个线程同时调用GetInstance()方法，就可能导致有产生多个实例。要实现线程安全，就必须加锁。

下面给出改进之后的代码

template <class T>
class singleton
{
protected:
    singleton(){};
private:
    singleton(const singleton&){};
    singleton& operator=(const singleton&){};
    static T* m_instance;
    static pthread_mutex_t mutex;
public:
    static T* GetInstance();
};


template <class T>
T* singleton<T>::GetInstance()
{
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    if( m_instance == NULL)
    { 
        m_instance = new T();
    }
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return m_instance;
}


template <class T>
pthread_mutex_t singleton<T>::mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

template <class T>
T* singleton<T>::m_instance = NULL;

这一切看起来都很完美，但是程序猿是一种天生就不知道满足的动物。他们发现GetInstance()方法，每次进来都要加锁，会影响效率。然而这并不是必须的，于是又对GetInstance()方法进行改进

template <class T>
T* singleton<T>::GetInstance()
{
    if( m_instance == NULL)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if( m_instance == NULL)
        { 
             m_instance = new T();
        }
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return m_instance;
}

这也就是所谓的“双检锁”机制。但是有人质疑这种实现还是有问题，在执行 m_instance = new T()时，可能 类T还没有初始化完成，m_instance 就已经有值了。这样会导致另外一个调用GetInstance()方法的线程，获取到还未初始化完成的m_instance 指针，如果去使用它，会有意料不到的后果。其实，解决方法也很简单，用一个局部变量过渡下即可：

template <class T>
T* singleton<T>::GetInstance()
{
    if( m_instance == NULL)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if( m_instance == NULL)
        { 
             T* ptmp = new T();
             m_instance = ptmp;
        }
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return m_instance;
}

到这里在懒汉模式下，也就可以保证线程安全了。

然而，在linux下面还有另一种实现。linux提供了一个叫pthread_once()的函数，它保证在一个进程中，某个函数只被执行一次。下面是使用pthread_once实现的线程安全的懒汉单例模式

template <class T>
class singleton
{
protected:
    singleton(){};
private:
    singleton(const singleton&){};
    singleton& operator=(const singleton&){};
    static T* m_instance;
    static pthread_once_t m_once;
public:
    static void Init();
    static T* GetInstance();
};


template <class T>
void singleton<T>::Init()
{
    m_instance = new T();
}

template <class T>
T* singleton<T>::GetInstance()
{
    pthread_once(&m_once,Init);
    return m_instance;
}

template <class T>
pthread_once_t singleton<T>::m_once = PTHREAD_ONCE_INIT;

template <class T>
T* singleton<T>::m_instance = NULL;

 上面的单例类使用了模板，对每一种类型的变量都能实例化出唯一的一个实例。

例如要实例化一个int类型

int *p = singleton<int>::GetInstance()

例如要实例化一个string类型

string *p = singleton<string>::GetInstance()

在上面的实现中，在实例化对象时，调用GetInstance()函数时都没有传递参数，这是犹豫不同的对象其初始化时参数个数都不一样。如果要支持不同类型的对象带参数初始化，则需要重载GetInstance函数。然而在c++11中，已经支持了可变参数函数。这里给出一个简单的例子

#ifndef _SINGLETON_H_
#define _SINGLETON_H_

template <class T>
class singleton
{
protected:
    singleton(){};
private:
    singleton(const singleton&){};
    singleton& operator=(const singleton&){};
    static T* m_instance;
public:
    template <typename... Args>
    static T* GetInstance(Args&&... args)
    {
        if(m_instance == NULL)
            m_instance = new T(std::forward<Args>(args)...);
        return m_instance;
    }


    static void DestroyInstance()
    {
        if(m_instance )
            delete m_instance;
        m_instance = NULL;
    }
};


template <class T>
T* singleton<T>::m_instance = NULL;

#endif

测试函数

#include <iostream>
#include <string>
#include "singleton.h"

using namespace std;
struct A
{
    A(int a ,int b):_a(a),_b(b)
    {}
    int _a;
    int _b;
};

int main()
{
   int *p1 = singleton<int>::GetInstance(5);
   int *p2 = singleton<int>::GetInstance(10);
   cout << *p1 << "  " << *p2 <<endl;
   string *p3 = singleton<string>::GetInstance("aa");
   string *p4 = singleton<string>::GetInstance("bb");

   cout << *p3 << "  " << *p4 <<endl;

   A *p5 = singleton<A>::GetInstance(1,2);

   A *p6 = singleton<A>::GetInstance(4,5);

   cout << p5->_a << "  " << p6->_a<<endl;
   return 0;
}

运行结果如下