C++学习之路（四）：线程安全的单例模式

（一）简单介绍

单例模式分为两种类型：懒汉模式和饿汉模式。

懒汉模式：在实际类对象被调用时才会产生一个新的类实例，并在之后返回这个实例。多线程环境下，多线程可能会同时调用接口函数创建新的实例，为了防止这种并发情况，需要采用锁机制来保证线程安全性，但由于多线程抢占互斥锁，可能会导致系统的性能瓶颈。

饿汉模式：在程序开始时就会产生一个该类的实例，并在之后返回这个实例。由于在进入主函数之前就由主线程完成了对象的初始化化，所以不用担心多线程问题，也不存在线程安全问题。

（二）懒汉模式举例

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

using namespace std;

class Singleton
{
private:
    Singleton()
    {
        cout<<"class create"<<endl;
    }
    static Singleton *m_instance;
    static pthread_mutex_t mutex;
    class Garbo
    {
    public:
        ~Garbo()
        {
            if (Singleton::m_instance)
            {
                cout<<"class end"<<endl;
                delete Singleton::m_instance;
            }
        }
    };
    static Garbo garbo;
public:
    static Singleton *getInstance();
    // ~Singleton()
    // {
    //     cout<<"class end"<<endl;
    //     delete m_instance;
    // }
};

Singleton* Singleton::m_instance = nullptr;
pthread_mutex_t Singleton::mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
Singleton::Garbo Singleton::garbo;

Singleton* Singleton::getInstance()
{
    if (m_instance == nullptr)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if (m_instance == nullptr)
            m_instance = new Singleton();
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
　　 return m_instance;
}

int main(void)
{
    Singleton *singleton = Singleton::getInstance();
    return 0;
}

上述代码中，在类实例初始化时才调用getInstance创建一个新实例，为了保证线程安全（即互斥），定义互斥锁。将类构造函数定义为private，防止类外部直接调用构造函数。

两次加锁：

假设现在有多个线程欲创建新对象，当前m_instance为nulltpr，进入第一层if，所有线程抢占互斥锁，其中一个线程完成对类实例的创建后解锁并返回，此时唤醒其他线程，当前m_instance已被创建，其他线程将不予以创建新实例，直接返回。从这里也可以看出，由于线程之间对锁的抢占，会有一定的性能开销。

关于单例模式的析构函数：

由于singleton对象是一个static对象，直接delete singleton是不能够调用类析构函数的（注释内容），要想释放m_instance实例，需要内嵌一个class，并初始该静态类成员，当类成员释放时调用其析构函数从而释放m_instance实例。

另一种写法：

测试代码：

class Singleton
{
private:
    Singleton(){}
public:
    static Singleton* getInstance()
    {
        Lock();   //not needed after C++0X
        static Singleton instacne;
        Unlock;   //not needed after C++0X
        return instance;
    }
}

上述在C++0X以后，要求编译器保证内部静态变量的线程安全性，可以不加锁。但在C++0X以前，仍然需要加锁。

（三）饿汉模式举例

在程序开始时就会产生一个类实例，并在以后返回该实例。

测试代码：

class Singleton
{
private:
    Singleton(){}
    static Singleton *m_instance;
public:
    static Singleton *getInstance(void)
    {
        return m_instance;
    }
};

Singleton* Singleton::m_instance = new Singleton();