Singleton模式創建、多線程與銷毀的方法是什么

這篇文章主要介紹“Singleton模式創建、多線程與銷毀的方法是什么”，在日常操作中，相信很多人在Singleton模式創建、多線程與銷毀的方法是什么問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”Singleton模式創建、多線程與銷毀的方法是什么”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學習吧！

1         Singleton創建

1.1      GOF Singleton

在GOF著作中對Singleton模式的實現方式如下：

/*解一*/   class Singleton   {   public:   static Singleton *Instance(){                            //1   if( !m_pInstatnce) //2   m_pInstance = new Singleton;//3   return m_pInstance; //4   }   private:   static Singleton *m_pInstatnce;             //5   private:   Singleton();                                                         //6   Singleton(const Singleton&);                             //7   Singleton& operator=(const Singleton&);            //8   ~Singleton();                                                       //9   }   Singleton *Singleton:m_pInstatnce = NULL; //10

在上面的解決方案中，我們只在需要調用時，才產生一個Singleton的對象。這樣帶來的好處是，如果該對象產生帶來的結果很昂貴，但不經常用到時，是一種非常好的策略。但如果該Instance被頻繁調用，那么就有人覺得Instance中的判斷降低了效率（雖然只是一個判斷語句^_^）,那么我們就把第5條語句該為

static Singleton m_Instatnce;

如此一來，在Instatnce直接返回&m_Instance，而不用做任何判斷，效率也高了。（是不是呢？）

這樣修改后，我們將帶來災難性的后果：

1：首先有可能編譯器這關就沒法通過，說m_Instance該外部變量無法解決（visural C++6.0）

error LNK2001: unresolved external symbol "private: static class Singleton  Singleton::m_Instance" (?m_Instance@Singleton@@0V1@A)

2：如果編譯器這關通過了就沒問題了么？答案是否定的。

***是不管Instance是否用到，該靜態變量對象在編譯器編譯時就產生了，即資源消耗是不可避免的；

第二是無法確保編譯器一定先將m_Instance初始化。所以Instance的調用有可能傳回一個尚沒構造的Singleton對象。這也意味著你無法保證任何外部對象所使用的m_Instance是一個被正確初始化的對象。

1.2      Meyers Singleton
我們如何解決這個問題呢，實際上很簡單。一種非常優雅的做法由Scott Meyers***提出，故也稱為Meyers Singleton。它依賴編譯器的神奇技巧。即函數內的static對象只在該函數***次執行時才初始化（請注意不是static常量）。

/*解二*/   class Singleton   {   public:   static Singleton *Instance(){                            //1   static Singleton sInstance; //2   return &sInstance; //3   }   private:   Singleton();                                                         //4   Singleton(const Singleton&);                             //5   Singleton& operator=(const Singleton&);            //6   ~Singleton();                                                       //7   }

解二在Instance中定義了一個Static的Singleton對象，來解決Instance中初始化的問題，也很順利的解決了定義Static成員對象帶來的問題。

請注意，解二在VC6中不能編譯通過，將有以下的錯誤：

error C2248: 'Singleton::~Singleton' : cannot access private member declared in class 'Singleton' e:\work\q\a.h(81) : see declaration of 'Singleton::~Singleton'

產生該問題的錯誤原因是什么呢(請仔細思考^_^)

原因在于在產生static Singleton對象后，編譯器會自動產生一個銷毀函數__DestroySingleton，然后調用atexit()注冊，在程序退出時執行__DestroySingleton。但由于Singleton的析構函數是private，所以會產生訪問錯誤。（應該在以后的編譯器中修改了該BUG）

1.3      Singleton改進

讓Instance傳回引用(reference)。如果傳回指針，調用端有可能講它delete調。

1.4      Singleton注意之點

在上面的解法中，請注意對構造函數和析構函數的處理，有何好處（請自己理解，俺懶病又犯了）。

2         多線程

在解一中，如果我們運行在多線程的環境中，該方案是***的么，將會有什么后果呢？

后果就是會造成內存泄漏，并且有可能前后獲取的Singleton對象不一樣（原因請自己思考，后面有解答）。

為了解決這個問題，將解一的Instance改為如下：

Singleton& Singleton::Instance(){   Lock(m_mutex);            //含義為獲取互斥量            //1   If( !m_pInstance ){                                          //2   m_pInstance = new Singleton; //3   }   UnLock(m_mutex);                                            //4   return *m_pInstance;                                     //5   }

此種方法將解決解一運行在多線程環境下內存泄漏的問題，但帶來的結果是，當m_mutex被鎖定時，其它試圖鎖定m_mutex的線程都將必須等等。并且每次執行鎖操作其付出的代價極大，亦即是這種方案的解決辦法并不吸引人。

那么我們將上面的代碼改為如下方式：

Singleton& Singleton::Instance(){   If( !m_pInstance ){                                                      //1   Lock(m_mutex); //含義為獲取互斥量 //2   m_pInstance = new Singleton; //3   UnLock(m_mutex); //4   }   return *m_pInstance;                                                 //5   }

這樣修改的結果沒有問題了么？NO!!!!該方案帶來的結果同解一，原因也一樣，都將造成內存泄漏。此時“雙檢測鎖定”模式就粉墨登場了。

由Doug Schmidt和Tim Harrison提出了“雙檢測鎖定”(Double-Checked Locking)模式來解決multithread singletons問題。

Singleton& Singleton::Instance(){   If( !m_pInstance ){                                                      //1   Lock(m_mutex); //含義為獲取互斥量 //2   If(!m_pInstance) //3   m_pInstance = new Singleton; //4   UnLock(m_mutex); //5   }   return *m_pInstance;                                                 //6   }

請看上面的第三句，這句話是不是具有化腐朽為神奇的力量啊 ^_^

上面的方案就***了么。回答還是NO!!!(各位看官是否已經郁悶了啊，這不是玩我啊？請耐心點，聽我細細到來^_^)

如果在RISC機器上編譯器有可能將上面的代碼優化，在鎖定m_mutex前執行第3句。這是完全有可能的，因為***句和第3句一樣，根據代碼優化原則是可以這樣處理的。這樣一來，我們引以為自豪的“雙檢測鎖定”居然沒有起作用( L)

怎么辦？解決唄。怎么解決？簡單，我們在m_pInstance前面加一個修飾符就可以了。什么修飾符呢?……

àvolatile(簡單吧)

那么我們完整的解法如下：

/*解三*/   class Singleton   {   public:   static Singleton &Instance(){                            //1   if( !m_pInstatnce){ //2   Lock(m_mutex) //3   If( !m_pInstance ) //4   m_pInstance = new Singleton;//5   UnLock(m_mutex); //6   }   return *m_pInstance; //7   }   private:   static volatitle Singleton *m_pInstatnce;            //8   private:   Singleton();                                                         //9   Singleton(const Singleton&);                             //10   Singleton& operator=(const Singleton&);            //11   ~Singleton();                                                       //12   }   Singleton *Singleton:m_pInstatnce = NULL; //13

3         Singleton銷毀

在這里，我們就到了Singleton最簡單也最復雜的地方了。

為什么說它簡單？我們根本可以不理睬創建的對象m_pInstance的銷毀啊。因為雖然我們一直沒有將Singleton對象刪除，但不會造成內存泄漏。為什么這樣說呢？因為只有當你分配了累積行數據并丟失了對他的所有reference是，內存泄漏才發生。而對Singleton并不屬于上面的情況，沒有累積性的東東，而且直到結束我們還有它的引用。在現代操作系統中，當一個進程結束后，將自動將該進程所有內存空間完全釋放。（可以參考《effective C++》條款10，里面講述了內存泄漏）。

但有時泄漏還是存在的，那是什么呢？就是資源泄漏。比如說如果該Singleton對象管理的是網絡連接，OS互斥量，進程通信的handles等等。這時我們就必須考慮到Singleton的銷毀了。談到銷毀，那可是一個復雜的課題（兩天三夜也說不完^_^  開玩笑的啦，大家輕松一下嘛）。

我們需要在恰當的地點，恰當的時機刪除Singleton對象，并且還要在恰當的時機創建或者重新創建Singleton對象。

在我們的“解二”中，在程序結束時會自動調用Singleton的析構函數，那么也將自動釋放所獲取的資源。在大多數情況下，它都能夠有效運作。那特殊情況是什么呢？

我們以KDL（keyboard，display，log）模型為例，其中K,D,L均使用Singleton模式。只要keyboard或者display出現異常，我們就必須調用log將其寫入日志中，否則log對象不應該創建。對后面一條，我們的Singleton創建時就可以滿足。

在前面我們已經說到，在產生一個對象時（非用new產生的對象），由編譯器自動調用了atexit(__DestroyObject)函數來實現該對象的析構操作。而C++對象析構是LIFO進行的，即先產生的對象后摧毀。

如果在一般情況下調用了log對象，然后開始銷毀對象。按照“后創建的先銷毀”原則：log對象將被銷毀，然后display對象開始銷毀。此時display在銷毀發現出現異常，于是調用log對象進行記錄。但事實上，log對象已經被銷毀，那么調用log對象將產生不可預期的后果，此問題我們稱為Dead Reference。所以前面的解決方案不能解決目前我們遇到的問題。

Andrei Alexandrescu提出了解決方案，稱為Phoenix Singleton（取自鳳凰涅磐典故）

/*解四*/   class Singleton   {   public:   static Singleton &Instance(){                              if( !m_pInstatnce){   Lock(m_mutex)   If( !m_pInstance ){   if(m_destroyed)   OnDeadReference();   else   Create();   }   UnLock(m_mutex);   }   return *m_pInstance;   }   private:   static volatitle Singleton *m_pInstatnce;   static bool m_destroyed;   private:   Singleton();                                                           Singleton(const Singleton&);                               Singleton& operator=(const Singleton&);       ~Singleton(){   m_pInstance = 0;   m_destroyed = true;   }   static void Create(){   static Singleton sInstance;   m_pInstanace = &sInstance;   }   static void OnDeadReference(){   Create();   new (m_pInstance) Singleton;   atexit(KillPhoenixSingleton);   m_destroyed = false;   }   void KillPhoenixSingleton(){   m_pInstance->~Singleton();   }   }   Singleton *Singleton:m_pInstatnce = NULL;   bool m_destroyed =false;

請注意此處OnDeadReference()中所使用的new操作符的用法：是所謂的placement new操作，它并不分配內存，而是在某個地址上構造一個新對象。

這是解決Dead Reference方法之一。如果此時keyboard或者display對象也需要處理Dead Reference問題時，那么上面的OnDeadReference將被頻繁調用，效率將會很低。即該問題為：需要提供一種解決方案，用于處理對象的建立過程可以不按照“先創建會銷毀”的原則，而應該為其指定一個銷毀順序。

聰明的Andrei Alexandrescu提出了一個“帶壽命的Singleton”解決方案。該方案的思想是：利用atexit()的特性；在每次創建一個對象后，將該對象放入到一個鏈表中（該鏈表是按照銷毀順序排訓的），并同時調用atexit()注冊一個銷毀函數；該銷毀函數從鏈表中獲取最需要銷毀的對象進行銷毀。

到此，關于“Singleton模式創建、多線程與銷毀的方法是什么”的學習就結束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學習，快去試試吧！若想繼續學習更多相關知識，請繼續關注億速云網站，小編會繼續努力為大家帶來更多實用的文章！