详解C++实现线程安全的单例模式
在某些应用环境下面，一个类只允许有一个实例，这就是著名的单例模式。单例模式分为懒汉模式，跟饿汉模式两种。
首先给出饿汉模式的实现
正解：
template <class T>
class singleton
{
protected:
singleton(){};
private:
singleton(const singleton&){};//禁止拷贝
singleton& operator=(const singleton&){};//禁止赋值
static T* m_instance;
public:
static T* GetInstance();
};
template <class T>
T* singleton<T>::GetInstance()
{
return m_instance;
}
template <class T>
在实例化m_instance 变量时，直接调用类的构造函数。顾名思义，在还未使用变量时，已经对m_instance进行赋值，就像很饥饿的感觉。这种模式，在多线程环境下肯定是线程安全的，因为不存在多线程实例化的问题。
下面来看懒汉模式
template <class T>
class singleton
{
protected:
singleton(){};
private:
singleton(const singleton&){};
singleton& operator=(const singleton&){};
static T* m_instance;
public:
static T* GetInstance();
};
template <class T>
T* singleton<T>::GetInstance()
{
if( m_instance == NULL)
{
m_instance = new T();
}
return m_instance;
}
template <class T>
T* singleton<T>::m_instance = NULL;
懒汉模式下，在定义m_instance变量时先等于NULL，在调用GetInstance()方法时，在判断是否要赋值。这种模式，并非是线程安全的，因为多个线程同时调用GetInstance()方法，就可能导致有产生多个实例。要实现线程安全，就必须加锁。
下面给出改进之后的代码
template <class T>
class singleton
{
protected:
singleton(){};
private:
singleton(const singleton&){};
singleton& operator=(const singleton&){};
static T* m_instance;
static pthread_mutex_t mutex;
public:
static T* GetInstance();
};
template <class T>
T* singleton<T>::GetInstance()
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
if( m_instance == NULL)
{
m_instance = new T();
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return m_instance;
}
template <class T>
pthread_mutex_t singleton<T>::mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
template <class T>
T* singleton<T>::m_instance = NULL;
这一切看起来都很完美，但是程序猿是一种天生就不知道满足的动物。他们发现GetInstance()方法，每次进来都要加锁，会影响效率。然而这并不是必须的，于是又对GetInstance()方法进行改进
template <class T>
T* singleton<T>::GetInstance()
{
if( m_instance == NULL)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
if( m_instance == NULL)
{
m_instance = new T();
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
return m_instance;
}
这也就是所谓的“双检锁”机制。但是有人质疑这种实现还是有问题，在执行 m_instance = new T()时，可能 类T还没有初始化完成，m_instance 就已经有值了。这样会导致另外一个调用GetInstance()方法的线程，获取到还未初始化完成的m_instance 指针，如果去使用它，会有意料不到的后果。其实，解决方法也很简单，用一个局部变量过渡下即可：
正解：
template <class T>
T* singleton<T>::GetInstance()
{
if( m_instance == NULL)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
if( m_instance == NULL)
{
T* ptmp = new T();
m_instance = ptmp;
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
return m_instance;
}
到这里在懒汉模式下，也就可以保证线程安全了。
然而，在linux下面还有另一种实现。linux提供了一个叫pthread_once()的函数，它保证在一个进程中，某个函数只被执行一次。下面是使用pthread_once实现的线程安全的懒汉单例模式
template <class T>
class singleton
{
protected:
singleton(){};
private:
singleton(const singleton&){};
singleton& operator=(const singleton&){};
static T* m_instance;
static pthread_once_t m_once;
public:
static void Init();
static T* GetInstance();
};
template <class T>
void singleton<T>::Init()
{
m_instance = new T();
}
template <class T>
T* singleton<T>::GetInstance()
{
pthread_once(&m_once,Init);
return m_instance;
}
template <class T>
pthread_once_t singleton<T>::m_once = PTHREAD_ONCE_INIT;
template <class T>
T* singleton<T>::m_instance = NULL;
上面的单例类使用了模板，对每一种类型的变量都能实例化出唯一的一个实例。
例如要实例化一个int类型
int *p = singleton<int>::GetInstance()
例如要实例化一个string类型
string *p = singleton<string>::GetInstance()
在上面的实现中，在实例化对象时，调用GetInstance()函数时都没有传递参数，这是犹豫不同的对象其初始化时参数个数都不一样。如果要支持不同类型的对象带参数初始化，则需要重载GetInstance函数。然而在c++11中，已经支持了可变参数函数。这里给出一个简单的例子
#ifndef _SINGLETON_H_
#define _SINGLETON_H_
template <class T>
class singleton
{
protected:
singleton(){};
private:
singleton(const singleton&){};
singleton& operator=(const singleton&){};
static T* m_instance;
public:
template <typename... Args>
static T* GetInstance(Args&&... args)
{
if(m_instance == NULL)
m_instance = new T(std::forward<Args>(args)...);
return m_instance;
}
static void DestroyInstance()
{
if(m_instance )
delete m_instance;
m_instance = NULL;
}
};
template <class T>
T* singleton<T>::m_instance = NULL;
#endif
测试函数
#include <iostream>
#include <string>
#include "singleton.h"
using namespace std;
struct A
{
A(int a ,int b):_a(a),_b(b)
{}
int _a;
int _b;
};
int main()
{
int *p1 = singleton<int>::GetInstance(5);
int *p2 = singleton<int>::GetInstance(10);
cout << *p1 << " " << *p2 <<endl;
string *p3 = singleton<string>::GetInstance("aa");
string *p4 = singleton<string>::GetInstance("bb");
cout << *p3 << " " << *p4 <<endl;
A *p5 = singleton<A>::GetInstance(1,2);
A *p6 = singleton<A>::GetInstance(4,5);
cout << p5->_a << " " << p6->_a<<endl;
return 0;
}
运行结果如下
