使用設(shè)計(jì)模式中的單例模式來實(shí)現(xiàn)C++的boost庫

更新時(shí)間：2024年07月01日 16:36:30 作者：bang

這篇文章主要介紹了使用設(shè)計(jì)模式中的單例模式來實(shí)現(xiàn)C++的boost庫的方法,其中作者對(duì)線程安全格外強(qiáng)調(diào),需要的朋友可以參考下

線程安全的單例模式
一、懶漢模式：即第一次調(diào)用該類實(shí)例的時(shí)候才產(chǎn)生一個(gè)新的該類實(shí)例，并在以后僅返回此實(shí)例。

需要用鎖，來保證其線程安全性：原因：多個(gè)線程可能進(jìn)入判斷是否已經(jīng)存在實(shí)例的if語句，從而non thread safety。

使用double-check來保證thread safety。但是如果處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，該鎖才成為嚴(yán)重的性能瓶頸。

1、靜態(tài)成員實(shí)例的懶漢模式：

class Singleton
{
private:
  static Singleton* m_instance;
  Singleton(){}
public:
  static Singleton* getInstance();
};
 
Singleton* Singleton::getInstance()
{
  if(NULL == m_instance)
  {
    Lock();
//借用其它類來實(shí)現(xiàn)，如boost
    if(NULL == m_instance)
    {
      m_instance = new Singleton;
    }
    UnLock();
  }
  return m_instance;
}

2、內(nèi)部靜態(tài)實(shí)例的懶漢模式

這里需要注意的是，C++0X以后，要求編譯器保證內(nèi)部靜態(tài)變量的線程安全性，可以不加鎖。但C++ 0X以前，仍需要加鎖。

class SingletonInside
{
private:
  SingletonInside(){}
public:
  static SingletonInside* getInstance()
  {
    Lock(); 
// not needed after C++0x
    static SingletonInside instance;
    UnLock(); 
// not needed after C++0x
    return instance; 
  }
};

二、餓漢模式：即無論是否調(diào)用該類的實(shí)例，在程序開始時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)該類的實(shí)例，并在以后僅返回此實(shí)例。

由靜態(tài)初始化實(shí)例保證其線程安全性，WHY？因?yàn)殪o態(tài)實(shí)例初始化在程序開始時(shí)進(jìn)入主函數(shù)之前就由主線程以單線程方式完成了初始化，不必?fù)?dān)心多線程問題。

故在性能需求較高時(shí)，應(yīng)使用這種模式，避免頻繁的鎖爭(zhēng)奪。

class SingletonStatic
{
private:
  static const SingletonStatic* m_instance;
  SingletonStatic(){}
public:
  static const SingletonStatic* getInstance()
  {
    return m_instance;
  }
};
 
//外部初始化 before invoke main
const SingletonStatic* SingletonStatic::m_instance = new SingletonStatic;

boost庫的實(shí)現(xiàn)示例

單例本來是個(gè)很簡(jiǎn)單的模式，實(shí)現(xiàn)上應(yīng)該也是很簡(jiǎn)單，但C++單例的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)會(huì)有一些坑，有了上面線程安全的基礎(chǔ)，下面來看看為了避免這些坑怎樣一步步演化到boost庫的實(shí)現(xiàn)方式。

方案一

class QMManager
{
public:
  static QMManager &instance()
  {
    static QMManager instance_;
    return instance_;
  }
}

這是最簡(jiǎn)單的版本，在單線程下(或者是C++0X下)是沒任何問題的，但在多線程下就不行了，因?yàn)閟tatic QMManager instance_;這句話不是線程安全的。
在局部作用域下的靜態(tài)變量在編譯時(shí)，編譯器會(huì)創(chuàng)建一個(gè)附加變量標(biāo)識(shí)靜態(tài)變量是否被初始化，會(huì)被編譯器變成像下面這樣（偽代碼）：

static QMManager &instance()
{
  static bool constructed = false;
  static uninitialized QMManager instance_;
  if (!constructed) {
    constructed = true;
    new(&s) QMManager; //construct it
  }
  return instance_;
}

這里有競(jìng)爭(zhēng)條件，兩個(gè)線程同時(shí)調(diào)用instance()時(shí)，一個(gè)線程運(yùn)行到if語句進(jìn)入后還沒設(shè)constructed值，此時(shí)切換到另一線程，constructed值還是false，同樣進(jìn)入到if語句里初始化變量，兩個(gè)線程都執(zhí)行了這個(gè)單例類的初始化，就不再是單例了。

方案二
一個(gè)解決方法是加鎖：

static QMManager &instance()
{
  Lock(); //鎖自己實(shí)現(xiàn)
  static QMManager instance_;
  UnLock();
  return instance_;
}

但這樣每次調(diào)用instance()都要加鎖解鎖，代價(jià)略大。

方案三
那再改變一下，把內(nèi)部靜態(tài)實(shí)例變成類的靜態(tài)成員，在外部初始化，也就是在include了文件，main函數(shù)執(zhí)行前就初始化這個(gè)實(shí)例，就不會(huì)有線程重入問題了：

class QMManager
{
protected:
  static QMManager instance_;
  QMManager();
  ~QMManager(){};
public:
  static QMManager *instance()
  {
    return &instance_;
  }
  void do_something();
};
QMManager QMManager::instance_; //外部初始化

這被稱為餓漢模式，程序一加載就初始化，不管有沒有調(diào)用到。
看似沒問題，但還是有坑，在一個(gè)2B情況下會(huì)有問題：在這個(gè)單例類的構(gòu)造函數(shù)里調(diào)用另一個(gè)單例類的方法可能會(huì)有問題。
看例子：

//.h
class QMManager
{
protected:
  static QMManager instance_;
  QMManager();
  ~QMManager(){};
public:
  static QMManager *instance()
  {
    return &instance_;
  }
};
 
class QMSqlite
{
protected:
  static QMSqlite instance_;
  QMSqlite();
  ~QMSqlite(){};
public:
  static QMSqlite *instance()
  {
    return &instance_;
  }
  void do_something();
};
 
QMManager QMManager::instance_;
QMSqlite QMSqlite::instance_;

//.cpp
QMManager::QMManager()
{
  printf("QMManager constructor\n");
  QMSqlite::instance()->do_something();
}
 
QMSqlite::QMSqlite()
{
  printf("QMSqlite constructor\n");
}
void QMSqlite::do_something()
{
  printf("QMSqlite do_something\n");
}

這里QMManager的構(gòu)造函數(shù)調(diào)用了QMSqlite的instance函數(shù)，但此時(shí)QMSqlite::instance_可能還沒有初始化。
這里的執(zhí)行流程：程序開始后，在執(zhí)行main前，執(zhí)行到QMManager QMManager::instance_;這句代碼，初始化QMManager里的instance_靜態(tài)變量，調(diào)用到QMManager的構(gòu)造函數(shù)，在構(gòu)造函數(shù)里調(diào)用QMSqlite::instance()，取QMSqlite里的instance_靜態(tài)變量，但此時(shí)QMSqlite::instance_還沒初始化，問題就出現(xiàn)了。
那這里會(huì)crash嗎，測(cè)試結(jié)果是不會(huì)，這應(yīng)該跟編譯器有關(guān)，靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)空間應(yīng)該是先被分配了，在調(diào)用QMManager構(gòu)造函數(shù)前，QMSqlite成員函數(shù)在內(nèi)存里已經(jīng)存在了，只是還未調(diào)到它的構(gòu)造函數(shù)，所以輸出是這樣：

QMManager constructor
QMSqlite do_something
QMSqlite constructor

方案四
那這個(gè)問題怎么解決呢，單例對(duì)象作為靜態(tài)局部變量有線程安全問題，作為類靜態(tài)全局變量在一開始初始化，有以上2B問題，那結(jié)合下上述兩種方式，可以解決這兩個(gè)問題。boost的實(shí)現(xiàn)方式是：?jiǎn)卫龑?duì)象作為靜態(tài)局部變量，但增加一個(gè)輔助類讓單例對(duì)象可以在一開始就初始化。如下：

//.h
class QMManager
{
protected:
  struct object_creator
  {
    object_creator()
    {
      QMManager::instance();
    }
    inline void do_nothing() const {}
  };
  static object_creator create_object_;
 
  QMManager();
  ~QMManager(){};
public:
  static QMManager *instance()
  {
    static QMManager instance;
    return &instance;
  }
};
QMManager::object_creator QMManager::create_object_;
 
class QMSqlite
{
protected:
  QMSqlite();
  ~QMSqlite(){};
  struct object_creator
  {
    object_creator()
    {
      QMSqlite::instance();
    }
    inline void do_nothing() const {}
  };
  static object_creator create_object_;
public:
  static QMSqlite *instance()
  {
    static QMSqlite instance;
    return &instance;
  }
  void do_something();
};
 
QMManager::object_creator QMManager::create_object_;
QMSqlite::object_creator QMSqlite::create_object_;

結(jié)合方案3的.cpp，這下可以看到正確的輸出和調(diào)用了：

QMManager constructor
QMSqlite constructor
QMSqlite do_something

來看看這里的執(zhí)行流程：
初始化QMManager類全局靜態(tài)變量create_object_
->調(diào)用object_creator的構(gòu)造函數(shù)
->調(diào)用QMManager::instance()方法初始化單例
->執(zhí)行QMManager的構(gòu)造函數(shù)
->調(diào)用QMSqlite::instance()
->初始化局部靜態(tài)變量QMSqlite instance
->執(zhí)行QMSqlite的構(gòu)造函數(shù)，然后返回這個(gè)單例。
跟方案三的區(qū)別在于QMManager調(diào)用QMSqlite單例時(shí)，方案3是取到全局靜態(tài)變量，此時(shí)這個(gè)變量未初始化，而方案四的單例是靜態(tài)局部變量，此時(shí)調(diào)用會(huì)初始化。
跟最初方案一的區(qū)別是在main函數(shù)前就初始化了單例，不會(huì)有線程安全問題。

最終boost
上面為了說明清楚點(diǎn)去除了模版，實(shí)際使用是用模版，不用寫那么多重復(fù)代碼，這是boost庫的模板實(shí)現(xiàn)：

template <typename T>
struct Singleton
{
  struct object_creator
  {
    object_creator(){ Singleton<T>::instance(); }
    inline void do_nothing()const {}
  };
 
  static object_creator create_object;
 
public:
  typedef T object_type;
  static object_type& instance()
  {
    static object_type obj;
    //據(jù)說這個(gè)do_nothing是確保create_object構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用
    //這跟模板的編譯有關(guān)
    create_object.do_nothing();
    return obj;
  }
 
};
template <typename T> typename Singleton<T>::object_creator Singleton<T>::create_object;
 
class QMManager
{
protected:
  QMManager();
  ~QMManager(){};
  friend class Singleton<QMManager>;
public:
  void do_something(){};
};
 
int main()
{
  Singleton<QMManager>::instance()->do_something();
  return 0;
}

其實(shí)Boost庫這樣的實(shí)現(xiàn)像打了幾個(gè)補(bǔ)丁，用了一些特殊技巧，雖然確實(shí)繞過了坑實(shí)現(xiàn)了需求，但感覺挺不好的。

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