C++11实现线程安全的单例模式(使用std call_once)_c++ 单例 std call_once

最新推荐文章于 2025-02-05 21:35:40 发布

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分类专栏： 2024年程序员学习文章标签：网络安全 web安全面试

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本人从事网路安全工作12年，曾在2个大厂工作过，安全服务、售后服务、售前、攻防比赛、安全讲师、销售经理等职位都做过，对这个行业了解比较全面。

最近遍览了各种网络安全类的文章，内容参差不齐，其中不伐有大佬倾力教学，也有各种不良机构浑水摸鱼，在收到几条私信，发现大家对一套完整的系统的网络安全从学习路线到学习资料，甚至是工具有着不小的需求。

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class Singleton {
public:
static Singleton* GetInstance() {
if (instance_ == nullptr) {
std::lock_guardstd::mutex lock(mutex_);
if (instance_ == nullptr) {
instance_ = new Singleton;
}
}

return instance_;

}

~Singleton() = default;

// 释放资源。
void Destroy() {
if (instance_ != nullptr) {
delete instance_;
instance_ = nullptr;
}
}

void PrintAddress() const {
std::cout << this << std::endl;
}

private:
Singleton() = default;

Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

private:
static Singleton* instance_;
static std::mutex mutex_;
};

Singleton* Singleton::instance_ = nullptr;
std::mutex Singleton::mutex_;

int main() {
Singleton* s1 = Singleton::GetInstance();
s1->PrintAddress();

Singleton* s2 = Singleton::GetInstance();
s2->PrintAddress();

return 0;
}


#### 3. 懒汉模式优化


上述代码有一个问题，当程序使用完该单例，需要手动去调用Destroy()来释放该单例管理的资源。如果不去手动释放管理的资源（例如加载的文件句柄等），虽然程序结束会释放这个单例对象的内存，但是并没有调用其析构函数去关闭这些管理的资源句柄等。解决办法就是将该管理的对象用智能指针管理。代码如下：

#include
#include
#include

class Singleton {
public:
static Singleton& GetInstance() {
if (!instance_) {
std::lock_guardstd::mutex lock(mutex_);
if (!instance_) {
instance_.reset(new Singleton);
}
}

return \*instance_;

}

~Singleton() = default;

void PrintAddress() const {
std::cout << this << std::endl;
}

private:
Singleton() = default;

Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

private:
static std::unique_ptr instance_;
static std::mutex mutex_;
};

std::unique_ptr Singleton::instance_;
std::mutex Singleton::mutex_;

int main() {
Singleton& s1 = Singleton::GetInstance();
s1.PrintAddress();

Singleton& s2 = Singleton::GetInstance();
s2.PrintAddress();

return 0;
}


#### 4. Double-Checked Locking Pattern存在的问题


Double-Checked Locking Pattern (DCLP)实际上也是存在严重的线程安全问题。Scott Meyers and 和Alexandrescu写的一篇文章里面专门分析了这种解决方案的问题[C++ and the Perils of Double-Checked Locking](https://bbs.youkuaiyun.com/topics/618540462)。文章截图：  
 ![这里写图片描述](https://img-blog.youkuaiyun.com/2018090322494171?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTE3MjYwMDU=/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70)  
 ![这里写图片描述](https://img-blog.youkuaiyun.com/20180903224953460?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTE3MjYwMDU=/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70)  
 ![这里写图片描述](https://img-blog.youkuaiyun.com/20180903225002252?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTE3MjYwMDU=/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70)


比如刚刚实现方式很容易发现其存在线程安全问题。

if (instance_ == nullptr) {  \\ 语句1
  std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
  if (instance_ == nullptr) {
    instance_ = new Singleton;  \\ 语句2
  }
}


线程安全问题产生的原因是多个线程同时读或写同一个变量时，会产生问题。  
 如上代码，对于**语句2是一个写操作**，我们用mutex来保护instance\_这个变量。但是**语句1是一个读操作**，if (instance\_ == nullptr)，这个语句是用来读取instance\_这个变量，而这个读操作是没有锁的。所以在多线程情况下，这种写法明显存在线程安全问题。  
 《C++ and the Perils of Double-Checked Locking》这篇文章中提到：

instance_ = new Singleton;


这条语句实际上做了三件事，第一件事申请一块内存，第二件事调用构造函数，第三件是将该内存地址赋给instance\_。


但是不同的编译器表现是不一样的。可能先将该内存地址赋给instance\_，然后再调用构造函数。这是线程A恰好申请完成内存，并且将内存地址赋给instance\_，但是还没调用构造函数的时候。线程B执行到语句1，判断instance\_此时不为空，则返回该变量，然后调用该对象的函数，但是该对象还没有进行构造。


#### 5. 使用std::call\_once实现单例


在C++11中提供一种方法，使得函数可以线程安全的只调用一次。即使用**std::call\_once**和**std::once\_flag**。**std::call\_once**是一种lazy load的很简单易用的机制。实现代码如下：

#include
#include
#include

class Singleton {
public:
static Singleton& GetInstance() {
static std::once_flag s_flag;
std::call_once(s_flag, & {
instance_.reset(new Singleton);
});

return \*instance_;

}

~Singleton() = default;

void PrintAddress() const {
std::cout << this << std::endl;
}

private:
Singleton() = default;

Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

private:
static std::unique_ptr instance_;
};

std::unique_ptr Singleton::instance_;

int main() {
Singleton& s1 = Singleton::GetInstance();
s1.PrintAddress();

Singleton& s2 = Singleton::GetInstance();
s2.PrintAddress();

return 0;
}


#### 6.使用局部静态变量实现懒汉


使用C++局部静态变量也可解决上述问题。

#include

class Singleton {
public:
static Singleton& GetInstance() {
static Singleton intance;
return intance;
}

~Singleton() = default;

private:
Singleton() = default;

在结束之际，我想重申的是，学习并非如攀登险峻高峰，而是如滴水穿石般的持久累积。尤其当我们步入工作岗位之后，持之以恒的学习变得愈发不易，如同在茫茫大海中独自划舟，稍有松懈便可能被巨浪吞噬。然而，对于我们程序员而言，学习是生存之本，是我们在激烈市场竞争中立于不败之地的关键。一旦停止学习，我们便如同逆水行舟，不进则退，终将被时代的洪流所淘汰。因此，不断汲取新知识，不仅是对自己的提升，更是对自己的一份珍贵投资。让我们不断磨砺自己，与时代共同进步，书写属于我们的辉煌篇章。

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