单例模式：多线程环境下的实现与应用

# 单例模式：多线程环境下的实现与应用 ## 1. 多线程环境下的单例问题 在多线程应用中，单例模式会面临一些挑战。假设一个应用刚启动，有两个线程同时访问如下单例： ```cpp Singleton& Singleton::Instance() { if (!pInstance_) // 1 { pInstance_ = new Singleton; // 2 } return *pInstance_; // 3 } ``` 第一个线程进入`Instance`函数，测试`if`条件。由于是首次访问，`pInstance_`为`null`，线程到达标记为`// 2`的行，准备调用`new`操作符。此时，操作系统调度器可能会中断第一个线程，将控制权交给第二个线程。 第二个线程进入`Singleton::Instance()`，同样发现`pInstance_`为`null`，因为第一个线程还没来得及修改它。接着，第二个线程调用`new`操作符，成功赋值`pInstance_`。 当第一个线程恢复执行时，它会继续执行标记为`// 2`的行，再次赋值`pInstance_`。最终，会创建两个`Singleton`对象，其中一个肯定会发生内存泄漏，应用也会陷入混乱。这就是经典的竞态条件问题。 ## 2. 双检查锁定模式 ### 2.1 简单加锁方案 为了解决上述竞态条件问题，一个简单的方案是加锁： ```cpp Singleton& Singleton::Instance() { // mutex_ 是一个互斥锁对象 // Lock 管理互斥锁 Lock guard(mutex_); if (!pInstance_) { pInstance_ = new Singleton; } return *pInstance_; } ``` 这种方案虽然解决了竞态条件问题，但效率较低。每次调用`Instance`函数都需要进行加锁和解锁操作，而竞态条件实际上只在单例对象创建时才会出现。这些操作的开销通常比简单的`if (!pInstance_)`测试大得多。 ### 2.2 尝试减少开销的方案 ```cpp Singleton& Singleton::Instance() { if (!pInstance_) { Lock guard(mutex_); pInstance_ = new Singleton; } return *pInstance_; } ``` 这种方案虽然减少了开销，但竞态条件又回来了。第一个线程通过`if`测试后，在进入同步代码块之前可能被中断，第二个线程也通过`if`测试并完成单例对象的创建。当第一个线程恢复执行时，会再次创建一个单例对象。 ### 2.3 双检查锁定模式 双检查锁定模式的思路是：先检查条件，进入同步代码块，然后再次检查条件。 ```cpp Singleton& Singleton::Instance() { if (!pInstance_) // 1 { // 2 Guard myGuard(lock_); // 3 if (!pInstance_) // 4 { pInstance_ = new Singleton; } } return *pInstance_; } ``` 第一个测试快速且粗略，如果单例对象已经存在，直接返回。如果不存在，则进入同步代码块进行更精确的检查。在同步代码块中，只有一个线程能进入，第一个进入的线程会初始化单例对象，其他线程再次检查时会发现对象已经初始化，不会再创建新对象。 然而，在某些对称多处理器环境（具有所谓的宽松内存模型）中，双检查锁定模式可能会失效。因为内存写入操作可能会以地址递增的顺序批量提交到主内存，而不是按时间顺序。这可能导致一个处理器对`pInstance_`的赋值操作在单例对象完全初始化之前就发生。因此，在实现双检查锁定模式之前，需要检查编译器文档，或者使用`volatile`修饰`pInstance_`。 ## 3. SingletonHolder类模板 ### 3.1 策略分解 为了实现单例模式，我们可以将其分解为三个主要策略： 1. **创建策略**：可以通过多种方式创建单例对象，通常使用`new`操作符。将创建操作作为一个策略隔离出来，有助于创建多态对象。 2. **生命周期策略**： - 遵循C++规则（最后创建，最先销毁） - 循环（Phoenix单例） - 用户控制（具有寿命的单例） - 无限期（“泄漏”单例，即对象永远不会被销毁） 3. **线程模型策略**：单线程、标准多线程（使用互斥锁和双检查锁定模式）或使用非便携式线程模型。 ### 3.2 策略要求 - **创建策略**：必须提供`Create`和`Destroy`两个静态成员函数，用于创建和销毁对象。 ```cpp T* pObj = Creator<T>::Create(); Creator<T>::Destroy(pObj); ``` - **生命周期策略**：需要安排单例对象的销毁时间，并决定在违反单例对象生命周期规则时采取的行动。具体来说，需要实现`ScheduleDestruction`和`OnDeadReference`两个函数。 ```cpp void (*pDestructionFunction)(); ... Lifetime<T>::ScheduleDestruction(pDestructionFunction); Lifetime<T>::OnDeadReference(); ``` - **线程模型策略**：提供一个内部类`Lock`，用于实现线程同步。 ### 3.3 Single