从C++单例模式到线程安全详解

先看一个最简单的教科书式单例模式：

 class CSingleton { public: static CSingleton* getInstance() { if (NULL == ps) {//tag1 ps = new CSingleton; } return ps; } private: CSingleton(){} CSingleton & operator=(const CSingleton &s); static CSingleton* ps; }; CSingleton* CSingleton::ps = NULL;

有2个要点：

1.private的构造函数和=操作符，用于防止类外的实例化和被复制；

2.static的类指针和get方法。

在大多数单线程情况下，以上代码大都会运行得很好，除非遇到中断：

1.当程序运行到tag1 处触发了中断；
2.中断处理程序恰调用的也是getInstance函数。

可想而知，这和多线程的情况类似，假设线程A 运行到tag1处，还没来得及new，此时ps仍然是NULL，线程B（或中断处理程序） 同时也运行到此通过if判断，那么将会实例化2个CSingleton对象，显然是不对的。

为了解决上述问题，自然而然，最容易想到也最常用的方法是加锁，因此getInstance改成这样：

 static CSingleton* getInstance() { lock();//伪代码 if (NULL == ps) { ps = new CSingleton; } return ps; }

加了锁以后貌似解决了上述问题，但也同样带来了新的问题：如果程序到处是诸如：

 CSingleton::instance()->aaaa(); CSingleton::instance()->bbbb(); CSingleton::instance()->cccc();

这样的调用，除了第一次的lock()有用外，后面的都是在做无用功，lock()的代价说大不大，但在某些情况下还是会提高程序延迟，这对追求完美的程序猿来说是完全无法接受的。

于是乎，咱想出了一个办法：

 static CSingleton* getInstance() { if (NULL == ps)//这里加了次判断，只有第一次才会为true而调用lock() { lock();//伪代码 if (NULL == ps) { ps = new CSingleton; } } return ps; }

很久以后我才知道，这个方法有个很高大上的名字，叫做双重检查锁定模式，简称DCLP(Double Checked Locking Pattern)。

DCLP很好地解决了多次调用不必要的lock()。

然而，你们以为这样就完了？too young。。

DCLP在多线程下仍然存在2个根本问题：

1.程序的指令执行顺序不确定；
2.编译器优化问题。

先说2，在某些编译器下，以上的两个if判断只会执行一个，甚至一个都不执行，原因是编译器认为至少有一个if判断是多余的，它自动帮助我们优化了代码。

再说1，ps = new CSingleton; 这条语句会被拆分为这样的三个步骤执行：

1.为要new的对象开辟一块内存；
2.构造该对象，填入这块内存；
3.将ps指针指向这块内存。

以上三个步骤，2和3的顺序是不确定的，可能先2后3，也可能先3后2。。。

实际执行时可能是这样的：

 static CSingleton* getInstance() { if (NULL == ps) { lock();//伪代码 if (NULL == ps) {    //伪代码 ps = xx;//step 3 new sizeof(CSingleton);//step 1 new CSingleton;//step 2 } } return ps; }

如果编译器按上述顺序执行代码，考虑如下状况：

线程A 执行到step 1还未执行后面的step 2，此时ps非空，但其指向的内存里面的内容还未被构造出来，于此同时线程B 进入这个函数，判断ps非空直接返回ps，但是调用者此时访问的ps内存实际内容CSingleton还没被构造呢，这是一块地址正确大小正确但内部数据不明的东西，当然会出错(调用者一般这么调用:CSingleton::getInstance()->aa();  CSingleton::getInstance()->bb();  CSingleton::getInstance()->cc();........此时的aa,bb,cc是啥玩意儿？)。

这也是为什么加上volatile关键字仍然不可以解决同步问题，volatile只解决了编译器优化问题，却无法控制机器指令执行顺序。

很遗憾的是，C/C++本身在设计时是不考虑多线程问题的，也就是说，要处理多线程问题还要程序猿自己想办法填坑。。

说了这么多，我们要讨论的问题仍然没有解决，庆幸的是，C++ 11提供了内存栅栏技术来解决这个问题，这里不赘述，有兴趣的读者可以自己搜索资料看看，不过是一些api调罢了。

那么，C++ 11 以前的代码如何解决这个问题呢？很不幸，并没有很好的解决方案，一种可行的方案是，程序中不要到处这么调用这个单例对象：

 CSingleton::getInstance()->aa(); CSingleton::getInstance()->bb(); CSingleton::getInstance()->cc();

而是在程序开始就初始化缓存这个单例对象：

 CSingleton* const g_ps = CSingleton::getInstance();//程序一开始就缓存这个单例对象 g_ps->aa(); g_ps->bb(); g_ps->cc();

但是如此带来的问题是程序一开始就实例化了这个单例对象，对象在整个程序的声明周期存在，这貌似叫饿汉式，而之前那种叫懒汉式，孰轻孰重，只有根据实际情况取舍了。