如何在不使用 C++11 的情况下实现多线程安全单例<mutex></mutex>

Question

现在 C++11 具有多线程功能，我想知道在不使用互斥锁（出于性能原因）的情况下实现惰性初始化单例的正确方法是什么。 我想到了这个，但说实话我不太擅长编写无锁代码，所以我正在寻找一些更好的解决方案。

// ConsoleApplication1.cpp : Defines the entry point for the console application.
//
# include <atomic>
# include <thread>
# include <string>
# include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{

public:
    Singleton()
    {
    }
static  bool isInitialized()
    {
        return (flag==2);
    }
static  bool initizalize(const string& name_)
    {
        if (flag==2)
            return false;// already initialized
        if (flag==1)
            return false;//somebody else is initializing
        if (flag==0)
        {
            int exp=0;
            int desr=1;
            //bool atomic_compare_exchange_strong(std::atomic<T>* obj, T* exp, T desr)
            bool willInitialize=std::atomic_compare_exchange_strong(&flag, &exp, desr);
            if (! willInitialize)
            {
                //some other thread CASed before us
                std::cout<<"somebody else CASed at aprox same time"<< endl;
                return false;
            }
            else 
            {
                initialize_impl(name_);
                assert(flag==1);
                flag=2;
                return true;
            }
        }
    }
static void clear()
{
    name.clear();
    flag=0;
}
private:
static  void initialize_impl(const string& name_)
{
        name=name_;
}
static  atomic<int> flag;
static  string name;
};
atomic<int> Singleton::flag=0;
string Singleton::name;
void myThreadFunction()
{
    Singleton s;
    bool initializedByMe =s.initizalize("1701");
    if (initializedByMe)
        s.clear();

}
int main()
{
    while (true)
    {
        std::thread t1(myThreadFunction);
        std::thread t2(myThreadFunction);
        t1.join();
        t2.join();
    }
    return 0;
}

请注意， clear()仅用于测试，真正的单例不会有该功能。

Answer 1

C++11 消除了手动锁定的需要。 如果静态局部变量已经被初始化，并发执行将等待。

§6.7 [stmt.dcl] p4

如果控制在变量初始化时并发进入声明，则并发执行要等待初始化完成。

因此，simple 有一个像这样的static函数：

static Singleton& get() {
  static Singleton instance;
  return instance;
}

这在 C++11 中可以正常工作（当然，只要编译器正确实现了标准的那一部分）。

---

当然，真正正确的答案是不要使用单例。

Answer 2

也许使用 C++11 实现单例的最简单方法是：

警告：尽管这符合 C++11 标准（静态初始化器是线程安全的），但在 Microsoft Visual C++ 2012 中未正确实现（静态初始化器不是线程安全的）。 如果你的目标是 VC2012，那么你必须使用不同的方法，因为它没有完全实现 C++11 标准。

class Singleton {
 public:
  static Singleton& Instance() {
    // Since it's a static variable, if the class has already been created,
    // it won't be created again.
    // And it **is** thread-safe in C++11.
    static Singleton myInstance;

    // Return a reference to our instance.
    return myInstance;
  }

  // delete copy and move constructors and assign operators
  Singleton(Singleton const&) = delete;             // Copy construct
  Singleton(Singleton&&) = delete;                  // Move construct
  Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;  // Copy assign
  Singleton& operator=(Singleton &&) = delete;      // Move assign

  // Any other public methods.

 protected:
  Singleton() {
    // Constructor code goes here.
  }

  ~Singleton() {
    // Destructor code goes here.
  }

 // And any other protected methods.
}

Answer 3

恕我直言，实现单例的最佳方法是使用“双重检查，单锁”模式，您可以在 C++ 11 中可移植地实现它： 双重检查锁定在 C++11 中是固定的这种模式在已经-创建的案例，只需要一个指针比较，并且在第一个用例中是安全的。

正如前面的回答中提到的，C++ 11 保证静态局部变量的构造顺序安全性局部静态变量初始化在 C++11 中是线程安全的吗？ 所以你可以安全地使用那个模式。 但是，Visual Studio 2013 还不支持它:-( 请参阅本页上的“魔术静态”行，因此如果您使用的是 VS2013，您仍然需要自己做。

不幸的是，没有什么是简单的。 上面模式引用的示例代码不能从 CRT 初始化中调用，因为静态 std::mutex 有一个构造函数，因此不能保证在第一次调用获取单例之前被初始化，如果所述调用是一个侧面 - CRT初始化的效果。 要解决这个问题，您必须使用指向互斥锁的指针，而不是互斥锁，它保证在 CRT 初始化开始之前被零初始化。 然后你将不得不使用 std::atomic::compare_exchange_strong 来创建和使用互斥锁。

我假设即使在 CRT 初始化期间调用 C++ 11 线程安全本地静态初始化语义也能正常工作。

因此，如果您有可用的 C++ 11 线程安全本地静态初始化语义，请使用它们。 如果不是，您还有一些工作要做，如果您希望单例在 CRT 初始化期间是线程安全的，则更是如此。

Answer 4

template<class T> 
class Resource
{
    Resource<T>(const Resource<T>&) = delete;
    Resource<T>& operator=(const Resource<T>&) = delete;
    static unique_ptr<Resource<T>> m_ins;
    static once_flag m_once;
    Resource<T>() = default;

public : 
    virtual ~Resource<T>() = default;
    static Resource<T>& getInstance() {
        std::call_once(m_once, []() {
            m_ins.reset(new Resource<T>);
        });
        return *m_ins.get();
    }
};

Answer 5

很难阅读你的方法，因为你没有按预期使用代码......也就是说，单例的常见模式是调用instance()来获取单个实例，然后使用它（另外，如果你真的想要一个单例，构造函数不应公开）。

无论如何，我不认为你的方法是安全的，考虑到两个线程试图获取单例，第一个更新标志的线程将是唯一一个初始化的，但是initialize函数会在第二个，并且该线程可能会在第一个线程完成初始化之前继续使用单例。

initialize的语义被破坏了。 如果您尝试描述/记录函数的行为，您会得到一些乐趣，并且最终会描述实现而不是简单的操作。 记录通常是一种复查设计/算法的简单方法：如果您最终描述的是如何而不是什么，那么您应该回到设计。 特别是，不能保证在initialize完成后对象实际上已经初始化（仅当返回值为true时，有时如果为false ，但并非总是如此）。

Answer 6

#pragma once

#include <memory>
#include <mutex>

namespace utils
{

template<typename T>
class Singleton
{
private:
    Singleton<T>(const Singleton<T>&) = delete;
    Singleton<T>& operator = (const Singleton<T>&) = delete;

    Singleton<T>() = default;

    static std::unique_ptr<T> m_instance;
    static std::once_flag m_once;

public:
    virtual ~Singleton<T>() = default;

    static T* getInstance()
    {
        std::call_once(m_once, []() {
            m_instance.reset(new T);
        });
        return m_instance.get();
    }

    template<typename... Args>
    static T* getInstance2nd(Args&& ...args)
    {
        std::call_once(m_once, [&]() {
            m_instance.reset(new T(std::forward<Args>(args)...));
        });
        return m_instance.get();
    }
};

template<typename T> std::unique_ptr<T> Singleton<T>::m_instance;
template<typename T> std::once_flag Singleton<T>::m_once;

}

此版本符合并发免费，但不能保证 100% 支持 c++11 标准。 它还提供了一种灵活的方式来实例化“拥有的”实例。 即使神奇的静态词在 c++11 和更高版本中就足够了，开发人员也可能需要对实例创建进行更多控制。