【多线程那些事儿】如何使用C++写一个线程安全的单例模式？

时间：2022-10-20 12:13:20

如何写一个线程安全的单例模式？

单例模式的简单实现

单例模式大概是流传最为广泛的设计模式之一了。一份简单的实现代码大概是下面这个样子的：

class singleton
{
public:
	static singleton* instance()
	{
		if (inst_ != nullptr) { 
			inst_ = new singleton();
		}
		return inst_;
	}
private:
	singleton(){}
	static singleton* inst_;
};

singleton* singleton::inst_ = nullptr;

这份代码在单线程的环境下是完全没有问题的，但到了多线程的世界里，情况就有一点不同了。考虑以下执行顺序：

  1. 线程1执行完if (inst_ != nullptr)之后，挂起了；
  2. 线程2执行instance函数：由于inst_还未被赋值，程序会inst_ = new singleton()语句；
  3. 线程1恢复，inst_ = new singleton()语句再次被执行，单例句柄被多次创建。

所以，这样的实现是线程不安全的。

有问题的双重检测锁

解决多线程的问题，最常用的方法就是加锁呗。于是很容易就可以得到以下的实现版本：

class singleton
{
public:
	static singleton* instance()
	{
		guard<mutex> lock{ mut_ };
		if (inst_ != nullptr) {
			inst_ = new singleton();
		}
		return inst_;
	}
private:
	singleton(){}
	static singleton* inst_;
	static mutex mut_;
};

singleton* singleton::inst_ = nullptr;
mutex singleton::mut_;

这样问题是解决了，但性能上就不那么另人满意，毕竟每一次使用instance都多了一次加锁和解锁的开销。更关键的是，这个锁也不是每次都需要啊！实际我们只有在创建单例实例的时候才需要加锁，之后使用的时候是完全不需要锁的。于是，有人提出了一种双重检测锁的写法：

...
	static singleton* instance()
	{
		if (inst_ != nullptr) {
			guard<mutex> lock{ mut_ };
			if (inst_ != nullptr) {
				inst_ = new singleton();
			}
		}
		return inst_;
	}
...

我们先判断一下inst_是否已经初始化了，如果没有，再进行加锁初始化流程。这样，虽然代码看上去有点怪异，但好像确实达到了只在创建单例时才引入锁开销的目的。不过遗憾的是，这个方法是有问题的。Scott Meyers 和 Andrei Alexandrescu 两位大神在C++ and the Perils of Double-Checked Locking 一文中对这个问题进行了非常详细地讨论，我们在这儿只作一个简单的说明，问题出在：

	inst_ = new singleton();

这一行。这句代码不是原子的，它通常分为以下三步：

  1. 调用operator new为singleton对象分配内存空间；
  2. 在分配好的内存空间上调用singleton的构造函数；
  3. 将分配的内存空间地址赋值给inst_。

如果程序能严格按照1-->2-->3的步骤执行代码，那么上述方法没有问题，但实际情况并非如此。编译器对指令的优化重排、CPU指令的乱序执行(具体示例可参考《【多线程那些事儿】多线程的执行顺序如你预期吗？》）都有可能使步骤3执行早于步骤2。考虑以下的执行顺序：

  1. 线程1按步骤1-->3-->2的顺序执行，且在执行完步骤1,3之后被挂起了；
  2. 线程2执行instance函数获取单例句柄，进行进一步操作。

由于inst_在线程1中已经被赋值，所以在线程2中可以获取到一个非空的inst_实例，并继续进行操作。但实际上单例对像的创建还没有完成，此时进行任何的操作都是未定义的。

现代C++中的解决方法

在现代C++中，我们可以通过以下几种方法来实现一个即线程安全、又高效的单例模式。

使用现代C++中的内存顺序限制

现代C++规定了6种内存执行顺序。合理的利用内存顺序限制，即可避免代码指令重排。一个可行的实现如下：

class singleton {
public:
	static singleton* instance()
	{
		singleton* ptr = inst_.load(memory_order_acquire);
		if (ptr == nullptr) {
			lock_guard<mutex> lock{ mut_ };
			ptr = inst_.load(memory_order_relaxed);
			if (ptr == nullptr) {
				ptr = new singleton();
				inst_.store(ptr, memory_order_release);
			}
		}
	
		return inst_;
	}
private:
	singleton(){};
	static mutex mut_;
	static atomic<singleton*> inst_;
};

mutex singleton::mut_;
atomic<singleton*> singleton::inst_;

来看一下汇编代码：
【多线程那些事儿】如何使用C++写一个线程安全的单例模式？

可以看到，编译器帮我们插入了必要的语句来保证指令的执行顺序。

使用现代C++中的call_once方法

call_once也是现代C++中引入的新特性，它可以保证某个函数只被执行一次。使用call_once的代码实现如下：

class singleton
{
public:
	static singleton* instance()
	{
		if (inst_ != nullptr) {
			call_once(flag_, create_instance);
		}
		return inst_;
	}
private:
	singleton(){}
	static void create_instance()
	{
		inst_ = new singleton();
	}
	static singleton* inst_;
	static once_flag flag_;
};

singleton* singleton::inst_ = nullptr;
once_flag singleton::flag_;

来看一下汇编代码：
【多线程那些事儿】如何使用C++写一个线程安全的单例模式？

可以看到，程序最终调用了__gthrw_pthread_once来保证函数只被执行一次。

使用静态局部变量

现在C++对变量的初始化顺序有如下规定：

If control enters the declaration concurrently while the variable is being initialized, the concurrent execution shall wait for completion of the initialization.

所以我们可以简单的使用一个静态局部变量来实现线程安全的单例模式：

class singleton
{
public:
	static singleton* instance()
	{
		static singleton inst_;
		return &inst_;
	}
private:
	singleton(){}
};

来看一下汇编代码：
【多线程那些事儿】如何使用C++写一个线程安全的单例模式？

可以看到，编译器已经自动帮我们插入了相关的代码，来保证静态局部变量初始化的多线程安全性。

全文完。

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