单例模式,reorder详解,线程安全,双检查锁
单例模式,分为饿汉式单例 和 懒汉式单例。
先把本类对象所需内存在main函数执行前就new出来,这是饿汉式单例。
个人思考:
为什么饿汉式不独霸天下,还有什么必要去研究使用cpp11上支持的双检查锁机制(这是懒汉式,用到类实例时才去申请内存)?就因为饿汉式单例事先就占用了一些类内存?反正迟早都要占用内存啊。
或者说,饿汉式单例有什么缺陷。
饿汉式单例:
个人理解:
优点: 编程上使用很简单
缺点: 整个程序运行期间会一直占用内存,不可以在程序运行期间将其delete。
饿汉式单例模式的重要特点是运用了全局对象的构造过程先于main函数执行之前的特点。
如果程序运行期将实例化的单例对象delete之后,如果有再次创建该单例对象的需求,
正因为饿汉式单例的上述特点,将无法达到满意的目标效果(目标效果是支持线程安全的单例模式)。
因为程序不可能重新从main函数前再重头执行一次(在嵌入式平台,只有设备重新上电了)。
即: 饿汉式单例模式不支持动态创建、销毁单例对象。
普通的懒汉式单例 动态支持的单例对象的申请和释放
class Singleton{
private:
Singleton();
Singleton(const Singleton& other);
public:
static Singleton* getInstance();
static Singleton* m_instance;
};
//线程安全,但锁的代价过高
Singleton* Singleton::getInstance() {
Lock lock;
if (m_instance == nullptr) {
m_instance = new Singleton();
}
return m_instance;
}
普通的懒汉式(该获取实例函数内执行,先上锁,再判断指针,最后分配内存)也是线程安全的,只是其内部实现,即获取实例函数内,不管三七二十一,每次都先上锁,考虑到锁的代码过高,不满足高并发编程要求。
普通的懒汉式单例也适用于我们针对大多数场景使用,因为,大多时候,嵌入式程序员不需要考虑高并发场景。
普通的双检查锁
//普通写法的双检查锁,但由于内存读写reorder, 所以是线程不安全
Singleton* Singleton::getInstance() { if(m_instance==nullptr){
Lock lock;
if (m_instance == nullptr) { // 这句代码并不是多余的,有其作用
m_instance = new Singleton();
}
}
return m_instance;
}
reorder详解:
假设某个时刻:
线程A 执行到m_instance = new Singleton(); 并且已经完成步骤1和 步骤3, 但是步骤2尚未执行,也就是说,虽然此时m_instance已经不是NULL,但是其
所指向的内存尚未完成构造。
此时,线程B被调度,执行getInstance(),进入上述函数内部,先判断if(m_instance==nullptr)(注意,这句代码是未上锁的,所以B线程可以执行),由于此时m_instance已经不是NULL,所以该函数即将退出,
线程B认为自己已经获取到了该单实例的句柄,接下来就很有可能使用该单实例的句柄进行操作。 显然,这不是线程安全的。
另外,解释下第二个if判断为什么不是多余的:
线程A有可能在执行第一个if判断后,立即被调度到线程B执行,而此时线程A尚未执行到Lock lock;的这句上锁代码。m_instance被线程B实例化(完成了单例模式整个过程),
再次调度回线程A时,线程A继续执行上锁代码,此时,有必要再次判断m_instance指针是否为空,如果已经是非空,则不能执行单例类的构造和赋值。
上述的双检查锁的代码,整体代码逻辑是没问题的,虽然是线程非安全的,但这不是程序员能够解决的了。究其原因,此处线程非安全是因为reorder机制。
所以,我们程序员需要借助编译器的新特性才能解决该问题。
线程安全的双检查锁 : 从支持C++ 11特性的编译器开始,提供了通用的跨平台实现。
//线程安全的双检查锁 -- C++ 11版本之后的跨平台实现 (volatile)
std::atomic<Singleton*> Singleton::m_instance;
std::mutex Singleton::m_mutex; Singleton* Singleton::getInstance() {
Singleton* tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed);
std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);//获取内存fence
if (tmp == nullptr) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);
tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed);
if (tmp == nullptr) {
tmp = new Singleton;
std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);//释放内存fence
m_instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed);
}
}
return tmp;
}
使用cpp11特性支持的双检查方式的懒汉式单例不是必须的,只是这种方式是专用于高并发场景下的,满足高并发要求(ps:这种方式一定是线程安全的)。
补充点:
全局变量的构造时机,和main函数被执行的时机。
全局变量的构造,这是crt (c run time)做的事情,它保证全局变量初始化在main之前运行。
编写本博客参考过的博客:
https://www.cnblogs.com/goodAndyxublog/p/11356402.html
.
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