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使用设计模式中的单例模式来实现C++的boost库

作者：bang

这篇文章主要介绍了使用设计模式中的单例模式来实现C++的boost库的方法,其中作者对线程安全格外强调,需要的朋友可以参考下

线程安全的单例模式
一、懒汉模式：即第一次调用该类实例的时候才产生一个新的该类实例，并在以后仅返回此实例。

需要用锁，来保证其线程安全性：原因：多个线程可能进入判断是否已经存在实例的if语句，从而non thread safety。

使用double-check来保证thread safety。但是如果处理大量数据时，该锁才成为严重的性能瓶颈。

1、静态成员实例的懒汉模式：

class Singleton
{
private:
  static Singleton* m_instance;
  Singleton(){}
public:
  static Singleton* getInstance();
};
 
Singleton* Singleton::getInstance()
{
  if(NULL == m_instance)
  {
    Lock();
//借用其它类来实现，如boost
    if(NULL == m_instance)
    {
      m_instance = new Singleton;
    }
    UnLock();
  }
  return m_instance;
}

2、内部静态实例的懒汉模式

这里需要注意的是，C++0X以后，要求编译器保证内部静态变量的线程安全性，可以不加锁。但C++ 0X以前，仍需要加锁。

class SingletonInside
{
private:
  SingletonInside(){}
public:
  static SingletonInside* getInstance()
  {
    Lock(); 
// not needed after C++0x
    static SingletonInside instance;
    UnLock(); 
// not needed after C++0x
    return instance; 
  }
};

二、饿汉模式：即无论是否调用该类的实例，在程序开始时就会产生一个该类的实例，并在以后仅返回此实例。

由静态初始化实例保证其线程安全性，WHY？因为静态实例初始化在程序开始时进入主函数之前就由主线程以单线程方式完成了初始化，不必担心多线程问题。

故在性能需求较高时，应使用这种模式，避免频繁的锁争夺。

class SingletonStatic
{
private:
  static const SingletonStatic* m_instance;
  SingletonStatic(){}
public:
  static const SingletonStatic* getInstance()
  {
    return m_instance;
  }
};
 
//外部初始化 before invoke main
const SingletonStatic* SingletonStatic::m_instance = new SingletonStatic;


boost库的实现示例

单例本来是个很简单的模式，实现上应该也是很简单，但C++单例的简单实现会有一些坑，有了上面线程安全的基础，下面来看看为了避免这些坑怎样一步步演化到boost库的实现方式。

方案一

class QMManager
{
public:
  static QMManager &instance()
  {
    static QMManager instance_;
    return instance_;
  }
}

这是最简单的版本，在单线程下(或者是C++0X下)是没任何问题的，但在多线程下就不行了，因为static QMManager instance_;这句话不是线程安全的。
在局部作用域下的静态变量在编译时，编译器会创建一个附加变量标识静态变量是否被初始化，会被编译器变成像下面这样（伪代码）：

static QMManager &instance()
{
  static bool constructed = false;
  static uninitialized QMManager instance_;
  if (!constructed) {
    constructed = true;
    new(&s) QMManager; //construct it
  }
  return instance_;
}

这里有竞争条件，两个线程同时调用instance()时，一个线程运行到if语句进入后还没设constructed值，此时切换到另一线程，constructed值还是false，同样进入到if语句里初始化变量，两个线程都执行了这个单例类的初始化，就不再是单例了。

方案二
一个解决方法是加锁：

static QMManager &instance()
{
  Lock(); //锁自己实现
  static QMManager instance_;
  UnLock();
  return instance_;
}

但这样每次调用instance()都要加锁解锁，代价略大。

方案三
那再改变一下，把内部静态实例变成类的静态成员，在外部初始化，也就是在include了文件，main函数执行前就初始化这个实例，就不会有线程重入问题了：

class QMManager
{
protected:
  static QMManager instance_;
  QMManager();
  ~QMManager(){};
public:
  static QMManager *instance()
  {
    return &instance_;
  }
  void do_something();
};
QMManager QMManager::instance_; //外部初始化

这被称为饿汉模式，程序一加载就初始化，不管有没有调用到。
看似没问题，但还是有坑，在一个2B情况下会有问题：在这个单例类的构造函数里调用另一个单例类的方法可能会有问题。
看例子：

//.h
class QMManager
{
protected:
  static QMManager instance_;
  QMManager();
  ~QMManager(){};
public:
  static QMManager *instance()
  {
    return &instance_;
  }
};
 
class QMSqlite
{
protected:
  static QMSqlite instance_;
  QMSqlite();
  ~QMSqlite(){};
public:
  static QMSqlite *instance()
  {
    return &instance_;
  }
  void do_something();
};
 
QMManager QMManager::instance_;
QMSqlite QMSqlite::instance_;

//.cpp
QMManager::QMManager()
{
  printf("QMManager constructor\n");
  QMSqlite::instance()->do_something();
}
 
QMSqlite::QMSqlite()
{
  printf("QMSqlite constructor\n");
}
void QMSqlite::do_something()
{
  printf("QMSqlite do_something\n");
}

这里QMManager的构造函数调用了QMSqlite的instance函数，但此时QMSqlite::instance_可能还没有初始化。
这里的执行流程：程序开始后，在执行main前，执行到QMManager QMManager::instance_;这句代码，初始化QMManager里的instance_静态变量，调用到QMManager的构造函数，在构造函数里调用QMSqlite::instance()，取QMSqlite里的instance_静态变量，但此时QMSqlite::instance_还没初始化，问题就出现了。
那这里会crash吗，测试结果是不会，这应该跟编译器有关，静态数据区空间应该是先被分配了，在调用QMManager构造函数前，QMSqlite成员函数在内存里已经存在了，只是还未调到它的构造函数，所以输出是这样：

QMManager constructor
QMSqlite do_something
QMSqlite constructor

方案四
那这个问题怎么解决呢，单例对象作为静态局部变量有线程安全问题，作为类静态全局变量在一开始初始化，有以上2B问题，那结合下上述两种方式，可以解决这两个问题。boost的实现方式是：单例对象作为静态局部变量，但增加一个辅助类让单例对象可以在一开始就初始化。如下：

//.h
class QMManager
{
protected:
  struct object_creator
  {
    object_creator()
    {
      QMManager::instance();
    }
    inline void do_nothing() const {}
  };
  static object_creator create_object_;
 
  QMManager();
  ~QMManager(){};
public:
  static QMManager *instance()
  {
    static QMManager instance;
    return &instance;
  }
};
QMManager::object_creator QMManager::create_object_;
 
class QMSqlite
{
protected:
  QMSqlite();
  ~QMSqlite(){};
  struct object_creator
  {
    object_creator()
    {
      QMSqlite::instance();
    }
    inline void do_nothing() const {}
  };
  static object_creator create_object_;
public:
  static QMSqlite *instance()
  {
    static QMSqlite instance;
    return &instance;
  }
  void do_something();
};
 
QMManager::object_creator QMManager::create_object_;
QMSqlite::object_creator QMSqlite::create_object_;

结合方案3的.cpp，这下可以看到正确的输出和调用了：

QMManager constructor
QMSqlite constructor
QMSqlite do_something

来看看这里的执行流程：
初始化QMManager类全局静态变量create_object_
->调用object_creator的构造函数
->调用QMManager::instance()方法初始化单例
->执行QMManager的构造函数
->调用QMSqlite::instance()
->初始化局部静态变量QMSqlite instance
->执行QMSqlite的构造函数，然后返回这个单例。
跟方案三的区别在于QMManager调用QMSqlite单例时，方案3是取到全局静态变量，此时这个变量未初始化，而方案四的单例是静态局部变量，此时调用会初始化。
跟最初方案一的区别是在main函数前就初始化了单例，不会有线程安全问题。

最终boost
上面为了说明清楚点去除了模版，实际使用是用模版，不用写那么多重复代码，这是boost库的模板实现：

template <typename T>
struct Singleton
{
  struct object_creator
  {
    object_creator(){ Singleton<T>::instance(); }
    inline void do_nothing()const {}
  };
 
  static object_creator create_object;
 
public:
  typedef T object_type;
  static object_type& instance()
  {
    static object_type obj;
    //据说这个do_nothing是确保create_object构造函数被调用
    //这跟模板的编译有关
    create_object.do_nothing();
    return obj;
  }
 
};
template <typename T> typename Singleton<T>::object_creator Singleton<T>::create_object;
 
class QMManager
{
protected:
  QMManager();
  ~QMManager(){};
  friend class Singleton<QMManager>;
public:
  void do_something(){};
};
 
int main()
{
  Singleton<QMManager>::instance()->do_something();
  return 0;
}

其实Boost库这样的实现像打了几个补丁，用了一些特殊技巧，虽然确实绕过了坑实现了需求，但感觉挺不好的。

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