C++实现线程安全的单例模式

1、单例模式

　　一个简单的单例模式很容易实现：构造函数声明为private或protect防止被外部函数实例化，内部保存一个private static的类指针保存唯一的实例，实例的动作由一个public的类方法代劳，该方法也返回单例类唯一的实例。

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;
}

　　上面这种简单的方式即是懒汉模式的单例模式，但是这种方法是线程不安全的，考虑两个线程同时首次调用instance方法且同时检测到p是NULL值，则两个线程会同时构造一个实例给p，这是严重的错误！同时，这也不是单例的唯一实现！

2、懒汉与饿汉

单例大约有两种实现方法：懒汉与饿汉。

懒汉：故名思义，不到万不得已就不会去实例化类，也就是说在第一次用到类实例的时候才会去实例化，所以上边的经典方法被归为懒汉实现；

饿汉：饿了肯定要饥不择食。所以在单例类定义的时候就进行实例化。

特点说明：

由于要进行线程同步，所以在访问量比较大，或者可能访问的线程比较多时，采用饿汉实现，可以实现更好的性能。这是以空间换时间。

在访问量较小时，采用懒汉实现。这是以时间换空间。

3 、线程安全的懒汉实现

　　简单的懒汉模式是线程不安全的，一个简单的方法是：加锁。这里使用的线程库是Pthread。

POSIX线程（POSIX threads），简称Pthreads，是线程的POSIX标准。Pthread是由POSIX提出的一套通用的线程库，在linux平台下，它被广泛的支持，而在windows平台下，需要下载pthreads-w32库。之所以选择Pthreads库作为多线程处理库，是因此Android NDK开发时，可以使用pthread在C++中实现多线程处理。

pthreads-w32在Windows的配置方法，可参考：

https://blog.csdn.net/qianchenglenger/article/details/16907821

pthreads-w32-2-9-1：https://download.csdn.net/download/guyuealian/10623897

其他版本的地址：ftp://sourceware.org/pub/pthreads-win32

关于pthread的用法，可参考这个PDF：

https://download.csdn.net/download/qq_21792169/9380962

方法1：加锁的经典懒汉实现（线程安全）：

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;
}

方法2：内部静态变量的懒汉实现

　　此方法也很容易实现，在instance函数里定义一个静态的实例，也可以保证拥有唯一实例，在返回时只需要返回其指针就可以了。推荐这种实现方法，真得非常简单。　　　　

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;
}

4、饿汉模式

　　简单的懒汉模式是线程不安全的，因此需要加锁，但饿汉模式本来就是线程安全的，所以不用加锁啦！原因很简单啊，因为的类实例创建（对象创建）放在类外啦，因此只有唯一的一个啦。

class singleton
{
protected:
    singleton()
    {}
private:
    static singleton* p;
public:
    static singleton* initance();
};
singleton* singleton::p = new singleton;
singleton* singleton::initance()
{
    return p;
}

5、实际应用

下面懒汉模式的代码，也是我工程中常用的一种方法：

头文件Singleton.h：

#ifndef _SINGLETON_H
#define _SINGLETON_H
#define  PTHREAD_ON
#ifdef PTHREAD_ON
#include "pthread.h"
#endif // PTHREAD_H 
#include <string>
using namespace std;
class singleton
{
private:
	singleton(string str);
	static singleton *p;//静态成员变量不依赖于任何对象，需要在类外单独分配空间。
public:
	~singleton();
	void fun(int a);
	static singleton* getInstance(string str);
	static pthread_mutex_t mtx;

};
#endif

实现文件：Singleton.cpp

#include "Singleton.h"
#include <iostream>
using namespace std;

pthread_mutex_t singleton::mtx;
singleton* singleton::p = nullptr;//静态成员变量不依赖于任何对象，需要在类外单独分配空间。
singleton::singleton(string str)
{
	printf("构造函数:%s\n",str.c_str());
	pthread_mutex_init(&mtx, 0);
}

singleton::~singleton() {
	printf("~析构函数\n");
	if (mtx)
	{
		printf("pthread_mutex_destroy\n");
		pthread_mutex_destroy(&mtx);
	}
	if (p)
	{
		p = nullptr;
	}
}


void singleton::fun(int a) {
	printf("调用函数：fun,a=%d\n", a);
}

singleton* singleton::getInstance(string str)
{
	printf("getInstance\n");
	if (p == NULL)
	{
		pthread_mutex_lock(&mtx);//上锁
		p = new singleton(str);//懒汉模式
		pthread_mutex_unlock(&mtx);//解锁
	}
	return p;
}

main.cpp主程序：

#include "Singleton.h"

int main() {
	//singleton* singleton = new singleton();//构成函数被声明为私有，从而避免任意创建
	singleton* singleton1 = singleton::getInstance("Alian");
	singleton* singleton2 = singleton::getInstance("Blian");

	if (singleton1 == singleton2) {
		fprintf(stderr, "singleton1 = singleton2\n");
		printf("singleton1:%d\n", singleton1);
		printf("singleton2:%d\n", singleton2);
	}
	singleton1->fun(1);
	singleton2->fun(2);
	delete singleton1;
	singleton1 = nullptr;
	printf("main\n");
	return 0;
}