懒汉单例模式出现的线程安全问题（C++）

Posted 2021-07-26 顾文繁

在懒汉模式中，由于存在一个并没有被实例话的静态指针，在多线程环境中，导致在静态获取实例方法/函数时，会有多个线程进入到该代码进行实例对象（线程安全问题），下面展示存在线程安全的懒汉单例模式代码：

Singleton.h

class Singleton {
public:
    static Singleton* instance();
    void show();
private:
    static Singleton* singleton;
    static int num;
};

Singleton.cpp

#include "Singleton.h"

Singleton* Singleton::singleton = nullptr;
int Singleton::num = 0;

Singleton* Singleton::instance(){
    //this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
    if(singleton == nullptr){
        //位置1
        singleton = new Singleton();
        num++;
    }
    return singleton;
}

void Singleton::show(){
    cout << "num : " << num << endl;
}

在上述Singleton.cpp文件中的 “位置1” 处，当有多个线程同时判断singleton为nullptr时，，每个线程都会在堆空间申请一个实例对象，因此这里线程获取到的实例对象不一致。

解决上述问题一种方法就是加锁。下述给出加锁的线程安全instance代码：

#include "Singleton.h"

Singleton* Singleton::singleton = nullptr;
int Singleton::num = 0;
mutex Singleton::m;

Singleton* Singleton::instance(){
    //this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
    m.lock();
        if(singleton == nullptr){
            singleton = new Singleton();
            num++;
        }
    m.unlock();
    return singleton;
}

void Singleton::show(){
    cout << "num : " << num << endl;
}

在上述代码中，在判断实例对象是否是nullptr时，进行加锁，一个线程进行加锁之后，其他线程不能访问后面的资源转而等待锁，当锁释放时，其他线程之间又进行资源竞争。这样便保证了只有一个实例存在。But，这样存在一个又存在严重的问题，每次获取实例时，都要进行加锁，造成严重的性能问题。如何避免这个问题？我们使用双层对象判断。下面给出代码及解释。

#include "Singleton.h"

Singleton* Singleton::singleton = nullptr;
int Singleton::num = 0;
mutex Singleton::m;

Singleton* Singleton::instance(){
    //this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
    if(singleton == nullptr){
        m.lock();
        if(singleton == nullptr) {
            singleton = new Singleton();
            num++;
        }
        m.unlock();
    }
    return singleton;
}

void Singleton::show(){
    cout << "num : " << num << endl;
}

上述的代码首先，判断singleton是否为nullptr，如果是，在多线程环境下，其中一个线程获得了资源进行加锁，进行实例对象，其他线程可能会被锁在第一层singleton==nullptr的下面进行等待，获得锁之后singleton已经不为nullptr了，则不会进行初始化，这样便保证了只有一个实例的情况下，还能获取良好的性能。

综上所述，只停留在理论的层面，下面进行多线程的实验。

首先我们建立线程回调函数，显示num的数量。

void show_instance_info(){
    Singleton::instance()->show();
}

在使用C++线程创建5个线程。

void test_singleton(){
    thread t1(show_instance_info);
    thread t2(show_instance_info);
    thread t3(show_instance_info);
    thread t4(show_instance_info);
    thread t5(show_instance_info);
    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
    t4.join();
    t5.join();
}

 

1.测试执行线程不安全的代码结果：

可以看到多次执行会有不同的结果，有多个对象进行了实例化。

1.测试执行线程安全的代码结果：

 

 

不管试验多少次，num总是1。