单例模式之线程安全

概念

• 程序的生命周期内只有一个实例的存在

场景

• 日志记录器、数据库连接池、线程池等

实现

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <boost/noncopyable.hpp>
​
using namespace std;
​
// 版本一
// 创建即初始化-eager initialize
// 不过需要提前初始化。但是从生产环境考虑，单例模式必须创建，同时需要系统预热。
// 因此该版本也具有一定的适用性。
class Singleton : public boost::noncopyable{
private:
    shared_ptr<Singleton> sp_instance;
    
private:
    Singleton() = default;
    
public:
    // 智能指针的析构函数需要对象的析构函数的访问权限
    ~Singleton() = default;
    
    static weak_ptr<Singleton> GetInstance() {
        return sp_instance;
    }
};
​
shared_ptr<Singleton> Singleton::sp_instance(new Singleton);
​
// 以下几个版本为用时创建，Lazy模式。
// 版本二
// 会出现写放大（A进程创建智能指针A并赋值给静态单例变量，
// 此时发生进程切换，B进程创建智能指针B并赋值给单例变量，因此A进程创建的智能指针A自动销毁）。
// 总的来说，能够正确创建并返回对象，但是初始会多创建一次浪费资源
class Singleton : public boost::noncopyable{
private:
    Singleton() = default;
    
public:
    // 智能指针需要调用
    ~Singleton() = default;
    
    static weak_ptr<Singleton> GetInstance() {
        static shared_ptr<Singleton> sp_singleton = 
            shared_ptr<Singleton> (new Singleton());
        return sp_singleton;
    }
};
​
// 版本三
// 先上锁->并发退化成串行。
// 在写-读场景下并发能力弱。适用于写-写场景。
class Singleton : public boost::noncopyable{
private:
    shared_ptr<Singleton> sp_instance;
    mutex_t mutex;
    
private:
    Singleton() = default;
    
public:
    // 智能指针需要调用
    ~Singleton() = default;
    
    static weak_ptr<Singleton> GetInstance() {
        mutex.lock();   // RALL
        if (sp_instance == nullptr)
            sp_instance = shared_ptr<Singleton> (new Singleton());
        return sp_singleton;
    }
};
​
// 版本四
// DCL+volatile关键字->版本三的优化。
// 通过volatile关键字防止最外层判断出现未完全初始化对象，通过内层加锁保证过程的互斥性。
// 适合写-读场景。
class Singleton : public boost::noncopyable{
private:
    static volatile shared_ptr<Singleton> instance;
    static std::mutex mutex;
​
private:
    Singleton() = default;
​
public:
    ~Singleton() {}
    
    static weak_ptr<Singleton> GetInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            mutex.lock();
            if (instance == nullptr) {
                instance = shared_ptr<Singleton> (new Singleton());
            }
        }
        return instance;
    }
};
​
​
int main() {
    auto ptr_singleton = Singleton::GetInstance();
    // do something...
}

[volatile]  保证共享资源在竞争场景下的可见性。