從C 單例模式到執行緒安全詳解

2022-09-28 01:36:08 字數 2589 閱讀 6993

先看乙個最簡單的教科書式單例模式:

class csingleton

return ps;

程式設計客棧}

private:

csingleton(){}

csingleton & operator=(const csingleton &s);

static csingleton* ps;

};csingleton* csingleton::ps = null;

有2個要點:

1.private的建構函式和=操作符,用於防止類外的例項化和被複製;

2.static的類指標和get方法。

在大多數單執行緒情況下,以上**大都會執行得很好,除非遇到中斷:

1.當程式執行到tag1 處觸發了中斷;

2.中斷處理程式恰呼叫的也是getinstance函式。

可想而知,這和多執行緒的情況類似,假設執行緒a 執行到tag1處,還沒來得及new,此時ps仍然是null,執行緒b(或中斷處理程式) 同時也執行到此通過if判斷,那麼將會例項化2個csingleton物件,顯然是不對的。

為了解決上述問題,自然而然,最容易想到也最常用的方法是加鎖,因此getinstance改成這樣:

static csingleton* getinstance()

return ps;

}加了鎖以後貌似解決了上述問題,但也同樣帶來了新的問題:如果程式到處是諸如:

csingletdtpggojczon::instance()->aaaa();

csingleton::instance()->bbbb();

csingleton::instance()->cccc();

這樣的呼叫,除了第一次的lock()有用外,後面的都是在做無用功,lock()的代價說大不大,但在某些情況下還是會提高程式延遲,這對追求完美的程式猿來說是完全無法接受的。

於是乎,咱想出了乙個辦法:

static csingleton* getinstance()

}return ps;

}很久以後我才知道,這個方法有個很高大上的名字,叫做雙重檢查鎖定模式,簡稱dclp(double checked locking pattern)。

dclp很好地解決了多次呼叫不必要的lock()。

然而,你們以為這樣就完了?too young。。

dclp在多執行緒下仍然存在2個根本問題:

1.程式的指令執行順序不確定;

2.編譯器優化問題。

先說2,在某些編譯器下,以上的兩個if判斷只會執行乙個,甚至乙個都不執行,原因是編譯器認為至少有乙個if判斷是多餘的,它自動幫助我們優化了**。

再說1,ps = new csingleton; 這條語句會被拆分為這樣的三個步驟執行:

1.為要new的物件開闢一塊記憶體;

2.構造該物件,填入這塊記憶體;

3.將ps指標指向這塊記憶體。

以上三個步驟,2和3的順序是不確定的,可能先2後3,也可能先3後2。。。

實際執行時可能是這樣的:

static csingleton* getinstance()

}return ps;

}如果編譯器按上述順序執行**,考慮如下狀況:

執行緒a 執行到step 1還未執行後面的step 2,此時ps非空,但其指向的記憶體裡面的內容還未被構造出來,於此同時執行緒b 進入這個函式,判斷ps非空直接返回ps,但是呼叫者此時訪問的ps記憶體實際內容csingleton還沒被構造呢,這是一塊位址正確大小正確但內部資料不明的東西,當然會出錯(呼叫者一般這麼呼叫:csingleton::getinstance()->aa();  csingleton::getinstance()->bb();  csingleton::getinstance()->cc();........此時的aa,bb,cc是啥玩意兒?)。

這也是為什麼加上volatile關鍵字仍然不可以解決同步問題,volatile只解決了編譯器優化問題,卻無法控制機器指令執行順序。

很遺憾的是,c/c++本身在設計時是不考慮多執行緒問題的,也就是說,要處理多執行緒問題還要程式猿自己想辦法填坑。。

說了這麼多,我們要討論的問題仍然沒有解決,慶幸的是,c++ 11提供了記憶體柵欄技術來解決這個問題,這裡不贅述,有興趣的讀者可以自己搜尋資料看看,不過是一些api調罷了。

那麼,c++ 11 以前的**如何解決這個問題呢?很不幸,並沒有很好的解決方案,一種可行的方案是,程式中不要到處這麼呼叫這個單例物件:

csingleton::getinstance()->aa();

csingleton::getinstance()->bb();

csingleton::getinstance()->cc();

而是在程式開始就初始化快取這個單例物件:

csingleton* const g_ps = csingldtpggojczeton::getinstance();//程式一開始就快取這個單例物件

g_ps->aa();

g_ps->bb();

g_ps->cc();

但是如此帶來的問題是程式一開始就例項化了這個單例物件,物件在整個程式的宣告週期存在,這貌似叫餓漢式,而之前那種叫懶漢式,孰輕孰重,只有根據實際情況取捨了。

本文標題: 從c++單例模式到執行緒安全詳解

本文位址:

c 多執行緒單例模式 執行緒安全C 單例模式

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