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C++中的單例模式(懶漢模式、餓漢模式及執行緒安全問題)

1 教科書裡的單例模式

  我們都很清楚一個簡單的單例模式該怎樣去實現:建構函式宣告為private或protect防止被外部函式例項化,內部儲存一個private static的類指標儲存唯一的例項,例項的動作由一個public的類方法代勞,該方法也返回單例類唯一的例項。

  上程式碼:  

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 class singleton { protected: singleton(){} private: static singleton* p; public:
static singleton* instance(); }; singleton* singleton::p = NULL; singleton* singleton::instance() { if (p == NULL) p = new singleton(); return p; }

  這是一個很棒的實現,簡單易懂。但這是一個完美的實現嗎?不!該方法是執行緒不安全的,考慮兩個執行緒同時首次呼叫instance方法且同時檢測到p是NULL值,則兩個執行緒會同時構造一個例項給p,這是嚴重的錯誤!同時,這也不是單例的唯一實現!

2 懶漢與餓漢

  單例大約有兩種實現方法:懶漢與餓漢。

    • 懶漢:故名思義,不到萬不得已就不會去例項化類,也就是說在第一次用到類例項的時候才會去例項化,所以上邊的經典方法被歸為懶漢實現;
    • 餓漢:餓了肯定要飢不擇食。所以在單例類定義的時候就進行例項化。

  特點與選擇:

    • 由於要進行執行緒同步,所以在訪問量比較大,或者可能訪問的執行緒比較多時,採用餓漢實現,可以實現更好的效能。這是以空間換時間。
    • 在訪問量較小時,採用懶漢實現。這是以時間換空間。

3 執行緒安全的懶漢實現

  執行緒不安全,怎麼辦呢?最直觀的方法:加鎖。

  • 方法1:加鎖的經典懶漢實現:

複製程式碼
class singleton
{
protected:
    singleton()
    {
        pthread_mutex_init(
&mutex); } private: static singleton* p; public: static pthread_mutex_t mutex; static singleton* initance(); }; pthread_mutex_t singleton::mutex; singleton* singleton::p = NULL; singleton* singleton::initance() { if (p == NULL) { pthread_mutex_lock(&mutex); if (p == NULL) p = new singleton(); pthread_mutex_unlock(&mutex); } return p; }
複製程式碼
  • 方法2:內部靜態變數的懶漢實現

  此方法也很容易實現,在instance函式裡定義一個靜態的例項,也可以保證擁有唯一例項,在返回時只需要返回其指標就可以了。推薦這種實現方法,真得非常簡單。

複製程式碼
class singleton
{
protected:
    singleton()
    {
        pthread_mutex_init(&mutex);
    }
public:
    static pthread_mutex_t mutex;
    static singleton* initance();
    int a;
};

pthread_mutex_t singleton::mutex;
singleton* singleton::initance()
{
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    static singleton obj;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return &obj;
}
複製程式碼

4 餓漢實現

  為什麼我不講“執行緒安全的餓漢實現”?因為餓漢實現本來就是執行緒安全的,不用加鎖。為啥?自己想!

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 class singleton { protected: singleton() {} private: static singleton* p; public: static singleton* initance(); }; singleton* singleton::p = new singleton; singleton* singleton::initance() { return p; }

  是不是特別簡單呢?

  以空間換時間,你說簡單不簡單?

  面試的時候,執行緒安全的單例模式怎麼寫?肯定怎麼簡單怎麼寫呀!餓漢模式反而最懶[正經臉]