使用設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，不必擔心多線程問題。
故在性能需求較高時，應使用這種模式，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，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，一個線程運行到if語句進入后還沒設constructed值，此時切換到另一線程，constructed值還是false，同樣進入到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的構造函數(shù)，在構造函數(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，測試結果是不會，這應該跟編譯器有關，靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)空間應該是先被分配了，在調(diào)用QMManager構造函數(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的構造函數(shù)
->調(diào)用QMManager::instance()方法初始化單例
->執(zhí)行QMManager的構造函數(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構造函數(shù)被調(diào)用
//這跟模板的編譯有關
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)像打了幾個補丁，用了一些特殊技巧，雖然確實繞過了坑實現(xiàn)了需求，但感覺挺不好的。
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