C++的单例模式与线程安全单例模式（懒汉/饿汉）

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2024-02-19 18:21 41阅读 0赞

教科书里的单例模式

我们都很清楚一个简单的单例模式该怎样去实现：构造函数声明为private或protect防止被外部函数实例化，内部保存一个private static的类指针保存唯一的实例，实例的动作由一个public的类方法代劳，该方法也返回单例类唯一的实例。

上代码：

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 </td> 
 <td> <code>class</code>&nbsp;<code>singleton</code> <code>{ </code> <code>protected</code><code>:</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>singleton(){}</code> <code>private</code><code>:</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>static</code>&nbsp;<code>singleton* p;</code> <code>public</code><code>:</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>static</code>&nbsp;<code>singleton* instance();</code> <code>};</code> <code>singleton* singleton::p = NULL;</code> <code>singleton* singleton::instance()</code> <code>{ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>if</code>&nbsp;<code>(p == NULL)</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>p =&nbsp;</code><code>new</code>&nbsp;<code>singleton();</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>return</code>&nbsp;<code>p;</code> <code>}</code> </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

这是一个很棒的实现，简单易懂。但这是一个完美的实现吗？不！该方法是线程不安全的，考虑两个线程同时首次调用instance方法且同时检测到p是NULL值，则两个线程会同时构造一个实例给p，这是严重的错误！同时，这也不是单例的唯一实现！

2 懒汉与饿汉

单例大约有两种实现方法：懒汉与饿汉。

*  懒汉：故名思义，不到万不得已就不会去实例化类，也就是说在第一次用到类实例的时候才会去实例化，所以上边的经典方法被归为懒汉实现；
 *  饿汉：饿了肯定要饥不择食。所以在单例类定义的时候就进行实例化。

特点与选择：

*  由于要进行线程同步，所以在访问量比较大，或者可能访问的线程比较多时，采用饿汉实现，可以实现更好的性能。这是以空间换时间。
 *  在访问量较小时，采用懒汉实现。这是以时间换空间。

3 线程安全的懒汉实现

线程不安全，怎么办呢？最直观的方法：加锁。

*  方法1：加锁的经典懒汉实现：

class singleton
    {
    protected:
        singleton()
        {
            pthread_mutex_init(&mutex);
        }
    private:
        static singleton* p;
    public:
        static pthread_mutex_t mutex;
        static singleton* initance();
    };
    
    pthread_mutex_t singleton::mutex;
    singleton* singleton::p = NULL;
    singleton* singleton::initance()
    {
        if (p == NULL)
        {
            pthread_mutex_lock(&mutex);
            if (p == NULL)
                p = new singleton();
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
        return p;
    }

方法2：内部静态变量的懒汉实现

此方法也很容易实现，在instance函数里定义一个静态的实例，也可以保证拥有唯一实例，在返回时只需要返回其指针就可以了。推荐这种实现方法，真得非常简单。

class singleton
    {
    protected:
        singleton()
        {
            pthread_mutex_init(&mutex);
        }
    public:
        static pthread_mutex_t mutex;
        static singleton* initance();
        int a;
    };
    
    pthread_mutex_t singleton::mutex;
    singleton* singleton::initance()
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        static singleton obj;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        return &obj;
    }
    4 饿汉实现

为什么我不讲“线程安全的饿汉实现”？因为饿汉实现本来就是线程安全的，不用加锁。为啥？自己想！

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 </td> 
 <td> <code>class</code>&nbsp;<code>singleton</code> <code>{ </code> <code>protected</code><code>:</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>singleton()</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>{}</code> <code>private</code><code>:</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>static</code>&nbsp;<code>singleton* p;</code> <code>public</code><code>:</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>static</code>&nbsp;<code>singleton* initance();</code> <code>};</code> <code>singleton* singleton::p =&nbsp;</code><code>new</code>&nbsp;<code>singleton;</code> <code>singleton* singleton::initance()</code> <code>{ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>return</code>&nbsp;<code>p;</code> <code>}</code> </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>