多线程下的单例模式实现

一，单线程下的单实例
- 1，懒汉模式
- 2，饿汉模式
二，多线程下的单实例
- 1，加锁
- 2，原子操作

单实例设计模式是我们平常接触最多的一种设计模式，它的特点在于保证一个类只有一个实例，并且对类成员的访问都是通过一个全局访问点来进行的。单实例主要用在整个场景中只能有一个该操作类对象，不允许再有其他的该操作类对象，比如：Http传输管理类，线程池管理类等。下面我们对单线程和多线程不同模式下的单实例实现分别进行分析。

一，单线程下的单实例

单例模式的结构图如下：

为了避免在外部创建类对象，我们需要将单例类的构造函数设置为私有，并且提供一个静态的接口来创建唯一实例对象。单例模式根据创建实例的时机又可以分为饿汉模式和懒汉模式。

1，懒汉模式

懒汉模式即当需要的时候才会去new对象，代码实现如下：

class Singelton
{
private:Singelton() {}static Singelton* s_singleton;public:static Singelton* GetInstance(){if (s_singleton == NULL){s_singleton = new Singelton();}return s_singleton;}
};
Singelton* Singelton::s_singleton = NULL;//注意静态变量类外初始化

当多个线程同时调用GetInstance（）时，由于内部的new操作并没有加锁，会出现以下两种情况：
A，多个线程同时对一个变量进行写操作，地址访问冲突，导致程序崩溃；
B，有一个临界点，同时new了两个对象，违背了单实例的原则，返回的类指针不唯一相同。
因此，懒汉模式在是多线程不安全的。

2，饿汉模式

饿汉模式即在调用接口获取对象之前直接先new一个对象，代码实现如下：

class Singelton
{
private:Singelton() {}static Singelton* s_singleton;public:static Singelton* GetInstance(){return s_singleton;}
};
Singelton* Singelton::s_singleton = new Singelton;//注意静态变量类外初始化

由于饿汉模式类对象的创建是在一个静态变量初始化时new出来的，那么在多线程中调用GetInstance()并不会有问题（全局变量和静态变量是在main函数之前初始化的）

二，多线程下的单实例

针对上述两种单实例模式的实现，可以知道：饿汉模式是线程安全的，懒汉模式是线程不安全的。下面我们来实现线程安全的懒汉模式。

1，加锁

通过锁来实现，在每次new之前加锁，new完成后释放锁，保证永远只有一个线程对该静态类指针进行赋值操作，代码如下：

#include <mutex>class Singelton
{
private:Singelton() {}static Singelton* s_singleton;static std::mutex s_cvMutex; // 互斥锁.public:static Singelton* GetInstance(){if (s_singleton == nullptr){std::lock_guard<std::mutex> lck(s_cvMutex);if (s_singleton == nullptr){s_singleton = new Singelton;}
}return s_singleton;}
};
Singelton* Singelton::s_singleton = nullptr;//注意静态变量类外初始化
std::mutex Singelton::s_cvMutex;

这里有一点需要注意，在加锁之后，new之前，又加了一重判空操作，这一步是为了保证多个线程同时进入了第一层判空语句中，当一个线程new完之后，如果不加第二重判空，那么第二个线程会再次进行new操作，导致实例不唯一。

2，原子操作

单纯的原子操作并没有锁的功能，需要配合上：if + while + Sleep（当然，也可以说是if + while，不去Sleep也可以），具体代码实现如下：

class Singelton
{
private:Singelton() {}public:static Singelton* GetInstance(){if (g_singleton == NULL){long pre_value = ::InterlockedExchange(&g_nLock, 1); //返回原来的值if (pre_value != 0){while (g_singleton == NULL){::Sleep(50);}}if (g_singleton == NULL){g_singleton = new Singelton;}}return g_singleton;}};
Singelton* volatile g_singleton = nullptr;
long volatile g_nLock = 0;

多个线程同时调用InterlockedExchange，只能有一个线程得到0，保证只初始化一次，其余线程进入while循环等待，直到g_singleton非空。
大家可以注意到，这里还用到了volatile关键字，volatile一般有两个好处：1是使得多个线程直接操作内存，变量被某个线程改变后其它线程也可以及时看到改变后的值；2是阻止编译器优化操作volatile变量的指令执行顺序。这里如果不使用它，就可能导致编译器调整汇编指令的顺序，分配完内存就直接把地址赋值给g_singleton指针，后面再调用构造函数，它这样调整的理由可能是这样子：分配到的内存指针在后续的执行中没有被修改，先赋值给g_singleton和晚赋值给g_singleton没有区别，这就导致了半成品对象的产生。

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