使用設(shè)計模式中的單例模式來實現(xiàn)C++的boost庫
線程安全的單例模式
一、懶漢模式:即第一次調(diào)用該類實例的時候才產(chǎn)生一個新的該類實例,并在以后僅返回此實例。
需要用鎖,來保證其線程安全性:原因:多個線程可能進(jìn)入判斷是否已經(jīng)存在實例的if語句,從而non thread safety。
使用double-check來保證thread safety。但是如果處理大量數(shù)據(jù)時,該鎖才成為嚴(yán)重的性能瓶頸。
1、靜態(tài)成員實例的懶漢模式:
class Singleton { private: static Singleton* m_instance; Singleton(){} public: static Singleton* getInstance(); }; Singleton* Singleton::getInstance() { if(NULL == m_instance) { Lock(); //借用其它類來實現(xiàn),如boost if(NULL == m_instance) { m_instance = new Singleton; } UnLock(); } return m_instance; }
2、內(nèi)部靜態(tài)實例的懶漢模式
這里需要注意的是,C++0X以后,要求編譯器保證內(nèi)部靜態(tài)變量的線程安全性,可以不加鎖。但C++ 0X以前,仍需要加鎖。
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、餓漢模式:即無論是否調(diào)用該類的實例,在程序開始時就會產(chǎn)生一個該類的實例,并在以后僅返回此實例。
由靜態(tài)初始化實例保證其線程安全性,WHY?因為靜態(tài)實例初始化在程序開始時進(jìn)入主函數(shù)之前就由主線程以單線程方式完成了初始化,不必?fù)?dān)心多線程問題。
故在性能需求較高時,應(yīng)使用這種模式,避免頻繁的鎖爭奪。
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庫的實現(xiàn)示例
單例本來是個很簡單的模式,實現(xiàn)上應(yīng)該也是很簡單,但C++單例的簡單實現(xiàn)會有一些坑,有了上面線程安全的基礎(chǔ),下面來看看為了避免這些坑怎樣一步步演化到boost庫的實現(xiàn)方式。
方案一
class QMManager { public: static QMManager &instance() { static QMManager instance_; return instance_; } }
這是最簡單的版本,在單線程下(或者是C++0X下)是沒任何問題的,但在多線程下就不行了,因為static QMManager instance_;這句話不是線程安全的。
在局部作用域下的靜態(tài)變量在編譯時,編譯器會創(chuàng)建一個附加變量標(biāo)識靜態(tài)變量是否被初始化,會被編譯器變成像下面這樣(偽代碼):
static QMManager &instance() { static bool constructed = false; static uninitialized QMManager instance_; if (!constructed) { constructed = true; new(&s) QMManager; //construct it } return instance_; }
這里有競爭條件,兩個線程同時調(diào)用instance()時,一個線程運(yùn)行到if語句進(jìn)入后還沒設(shè)constructed值,此時切換到另一線程,constructed值還是false,同樣進(jìn)入到if語句里初始化變量,兩個線程都執(zhí)行了這個單例類的初始化,就不再是單例了。
方案二
一個解決方法是加鎖:
static QMManager &instance() { Lock(); //鎖自己實現(xiàn) static QMManager instance_; UnLock(); return instance_; }
但這樣每次調(diào)用instance()都要加鎖解鎖,代價略大。
方案三
那再改變一下,把內(nèi)部靜態(tài)實例變成類的靜態(tài)成員,在外部初始化,也就是在include了文件,main函數(shù)執(zhí)行前就初始化這個實例,就不會有線程重入問題了:
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
這被稱為餓漢模式,程序一加載就初始化,不管有沒有調(diào)用到。
看似沒問題,但還是有坑,在一個2B情況下會有問題:在這個單例類的構(gòu)造函數(shù)里調(diào)用另一個單例類的方法可能會有問題。
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"); }
這里QMManager的構(gòu)造函數(shù)調(diào)用了QMSqlite的instance函數(shù),但此時QMSqlite::instance_可能還沒有初始化。
這里的執(zhí)行流程:程序開始后,在執(zhí)行main前,執(zhí)行到QMManager QMManager::instance_;這句代碼,初始化QMManager里的instance_靜態(tài)變量,調(diào)用到QMManager的構(gòu)造函數(shù),在構(gòu)造函數(shù)里調(diào)用QMSqlite::instance(),取QMSqlite里的instance_靜態(tài)變量,但此時QMSqlite::instance_還沒初始化,問題就出現(xiàn)了。
那這里會crash嗎,測試結(jié)果是不會,這應(yīng)該跟編譯器有關(guān),靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)空間應(yīng)該是先被分配了,在調(diào)用QMManager構(gòu)造函數(shù)前,QMSqlite成員函數(shù)在內(nèi)存里已經(jīng)存在了,只是還未調(diào)到它的構(gòu)造函數(shù),所以輸出是這樣:
QMManager constructor QMSqlite do_something QMSqlite constructor
方案四
那這個問題怎么解決呢,單例對象作為靜態(tài)局部變量有線程安全問題,作為類靜態(tài)全局變量在一開始初始化,有以上2B問題,那結(jié)合下上述兩種方式,可以解決這兩個問題。boost的實現(xiàn)方式是:單例對象作為靜態(tài)局部變量,但增加一個輔助類讓單例對象可以在一開始就初始化。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_;
結(jié)合方案3的.cpp,這下可以看到正確的輸出和調(diào)用了:
QMManager constructor QMSqlite constructor QMSqlite do_something
來看看這里的執(zhí)行流程:
初始化QMManager類全局靜態(tài)變量create_object_
->調(diào)用object_creator的構(gòu)造函數(shù)
->調(diào)用QMManager::instance()方法初始化單例
->執(zhí)行QMManager的構(gòu)造函數(shù)
->調(diào)用QMSqlite::instance()
->初始化局部靜態(tài)變量QMSqlite instance
->執(zhí)行QMSqlite的構(gòu)造函數(shù),然后返回這個單例。
跟方案三的區(qū)別在于QMManager調(diào)用QMSqlite單例時,方案3是取到全局靜態(tài)變量,此時這個變量未初始化,而方案四的單例是靜態(tài)局部變量,此時調(diào)用會初始化。
跟最初方案一的區(qū)別是在main函數(shù)前就初始化了單例,不會有線程安全問題。
最終boost
上面為了說明清楚點去除了模版,實際使用是用模版,不用寫那么多重復(fù)代碼,這是boost庫的模板實現(xiàn):
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; //據(jù)說這個do_nothing是確保create_object構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用 //這跟模板的編譯有關(guān) 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; }
其實Boost庫這樣的實現(xiàn)像打了幾個補(bǔ)丁,用了一些奇技淫巧,雖然確實繞過了坑實現(xiàn)了需求,但感覺挺不好的。
欄 目:C語言
下一篇:淺談Windows系統(tǒng)下C語言編程中Glib庫的使用
本文標(biāo)題:使用設(shè)計模式中的單例模式來實現(xiàn)C++的boost庫
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