C++多线程如何获取真正安全的单例

原创

evenleo

修改于 2020-04-13 11:24:00

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修改于 2020-04-13 11:24:00

文章被收录于专栏：C++的沉思

编译器顺序问题

举一个例子，假如有两个全局变量：

int x = 0;
int y = 0;

然后我们在一个线程里执行：

x = 1;
y = 2;

在另一个线程里执行：

if (y == 2) {
    x = 3;
    y = 4;
}

如果你认为有两种可能，1、2和3、4的话，那说明你是按典型的程序员思维看问题的--没有像编译器和处理器一样处理问题。事实上， 1、4也是一种可能的结果。有两个基本原因造成这一后果：

编译器没有义务一定按代码给出的顺序产生代码。事实上会根据上下文调整代码的执行顺序，使其最有利于处理器的架构，是优化中很重要的一步。
在多处理器架构中，各个处理器可能产生缓存不一致问题。取决于具体的处理器类型、缓存策略和变量地址，对变量 y 的写入有可能先反应到主存中去。

双重检查锁定

在多线程对单例进行初始化的过程中，有一个双重检查锁定的技巧，基本实现如下：

class singleton {
public:
    static singleton* instance() 
    {
        if (inst_ptr_ == nullptr)
        {
            std::lock_guard<std::mutex> lk(mutex_);
            if (inst_ptr_ == nullptr) {
                inst_ptr_ = new singleton();
            }
        }
        return inst_ptr_;
    }
private:
    singleton() {}
    singleton(const singleton&) {}
    singleton& operator = (const singleton&);
private:
    static singleton* inst_ptr_;
    static std::mutex mutex_;
};

singleton* singleton::inst_ptr_ = nullptr;
std::mutex singleton::mutex_;

代码目的是消除大部分执行路径上的加锁开销。意图是：如果 inst_ptr_ 没有被初始化，执行才会进入加锁的路径，防止单例被构造多次；如果 inst_ptr_ 已经被初始化，那它就会被直接返回，不会产生额外开销。这看起来很棒，但直到2000年才有人发现了漏洞，而且在每个语言都发现了，原因是内存读写是乱序的。即创建实例 inst_ptr_ = new singleton(); 是其实分如下三个步骤完成：

分配 singleton 对象所需的内存空间；
在分配的内存处构造 singleton 对象；
将内存的地址赋给指针 inst_ptr_。

上面这三个步骤如果是按顺序进行的，那上面的双重检查锁定的就没有任何问题。但除了确定步骤1首先执行，2和3的顺序是不确定的。假如线程A按1、3、2的顺序执行，当执行完3后，就切到线程B，因为 inst_ptr_ 不为 nullptr 直接 return inst_ptr_ 得到一个对象，而这个对象没有被构造！严重 bug 就出现了！

C++11跨平台实现

在C++11中可以用原子操作实现真正线程安全的单例模式，具体实现如下：

class singleton {
public:
    static singleton* instance() 
    {
        singleton* ptr = inst_ptr_.load(std::memory_order_acquire);
        if (inst_ptr_ == nullptr)
        {
            std::lock_guard<std::mutex> lk(mutex_);
            ptr = inst_ptr_.load(std::memory_order_relaxed);
            if (inst_ptr_ == nullptr) {
                ptr = new singleton();
                inst_ptr_.store(ptr, std::memory_order_release);
            }
        }
        return ptr;
    }
private:
    singleton() {}
    singleton(const singleton&) {}
    singleton& operator = (const singleton&);
private:
    static std::atomic<singleton*> inst_ptr_;
    static std::mutex mutex_;
};

std::atomic<singleton*> singleton::inst_ptr_;
std::mutex singleton::mutex_;

Scott Meyers 优雅的单例模式

class singleton {
public:
    static singleton& instance() 
    {
        static singleton instance_;
        return instance_;
    }
private:
    singleton() {}
    singleton(const singleton&) {}
    singleton& operator = (const singleton&);
};

Scott Meyers 在《Effective C++》中的提出另一种更优雅的单例模式实现，使用 local static 对象（函数内的 static 对象）。当第一次访问 instance() 方法时才创建实例。C++0x之后该实现是线程安全的，C++0x之前仍需加锁。

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