C++单例的安全实现，double-check(双重检查锁定)的安全实现方法

概述

• 单例模式指在整个系统生命周期里，保证一个类只能产生一个实例，确保该类的唯一性。

• 单例类特点

  • 构造函数和析构函数为private类型，目的禁止外部构造和析构
  • 拷贝构造和赋值构造函数为private类型，目的是禁止外部拷贝和赋值，确保实例的唯一性
  • 类里有个获取实例的静态函数，可以全局访问

• 单例模式可以分为懒汉式和饿汉式，两者之间的区别在于创建实例的时间不同：

  • 懒汉式：指系统运行中，实例并不存在，只有当需要使用该实例时，才会去创建并使用实例。(这种方式要考虑线程安全)
  • 饿汉式：指系统一运行，就初始化创建实例，当需要时，直接调用即可。(本身就线程安全，没有多线程的问题)

C++11 饿汉式实现

Singleton& Singleton::getInstance() {
    static Singleton instance;
    return instance;
}
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一般推荐使用这种简单的方式，安全好用！

C++11 懒汉式实现

要实现安全的懒汉式不容易

• 传统的double-check实现方法如下：

Singleton* Singleton::getInstance() {
	if (m_instance)
		return m_instance;
    Lock lock;      // scope-based lock, released automatically when the function returns
    if (m_instance == NULL) {
        m_instance = new Singleton;
    }
    return m_instance;
}
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严格意义上说，上面的实现方法是不是完全安全的，因为第一次读取m_instance不受锁或类似东西的保护;

• 而基于C++11提供的atomic就可以实现一种更安全的懒汉式单例，代码如下：

std::atomic<Singleton*> Singleton::m_instance;
std::mutex Singleton::m_mutex;

Singleton* Singleton::getInstance() {
    Singleton* tmp = m_instance.load();
    if (tmp == nullptr) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);
        tmp = m_instance.load();
        if (tmp == nullptr) {
            tmp = new Singleton;
            m_instance.store(tmp);
        }
    }
    return tmp;
}
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• 完整测试代码如下：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

class Singleton {

public:

    static Singleton* getInstance() {
        Singleton* tmp = m_instance.load();
        if (tmp == nullptr) {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);
            tmp = m_instance.load();
            if (tmp == nullptr) {
                tmp = new Singleton;
                m_instance.store(tmp);
            }
        }
        return tmp;
    }

    ~Singleton() {
        std::cout << "~Singleton() called!" << std::endl;
    }

    void print() {

        if (m_instance == nullptr) 
            std::cout << "m_instance is null" << std::endl;
        else
            std::cout << "m_instance is not null" << std::endl;
    }

private:
    Singleton() = default;
    Singleton(const Singleton& Singleton) = default;
    static std::atomic<Singleton*> m_instance;
    static std::mutex m_mutex;
};

std::atomic<Singleton*> Singleton::m_instance;
std::mutex Singleton::m_mutex;

int main()
{
    Singleton::getInstance()->print();
    std::thread([]{ Singleton::getInstance()->print(); }).detach();
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
	return 0;
}
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输出:

m_instance is not null
m_instance is not null
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参考

is-implementation-of-double-checked-singleton-thread-safe
double-checked-locking-is-fixed-in-cpp11
C++11 中的双重检查锁定模式
陈硕智能指针线程安全_linux C++ 线程安全的单例模式总结