笔者主要是想借本文介绍一下 C++ 11 静态局部变量的 magic static 特性。
单例模式：保证一个类仅有一个实例，并提供一个该实例的全局访问点。
- 稳定点：类只有一个实例，提供全局
- 变化点：有多个类都是单例，能否复用代码
实现 1：静态成员
- 构造函数和析构函数私有化
- 禁掉拷贝构造、拷贝赋值、移动构造、移动赋值
- 静态成员函数
- 静态私有成员
前两点针对唯一实例，后两点针对全局访问。
问题：当程序结束后，不会调用析构函数，堆上资源无法释放，内存泄漏。虽然程序结束后，堆上所有的数据被销毁，但是无法保存需要持久化的数据。
class Singleton { public: // 静态成员函数：全局访问点 static Singleton* getInstance() { if(nullptr == _pInstance) { _pInstance = new Singleton(); } return _pInstance; } private: // 构造函数和析构函数私有化 Singleton(); ~Singleton(); // 禁掉拷贝构造、拷贝赋值、移动构造、移动赋值 Singleton(const Singleton &) = delete; Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; Singleton(Singleton &&) = delete; Singleton& operator=(Singleton &&) = delete; private: // 静态成员：静态成员函数只能访问静态成员 static Singleton* _pInstance; }; // 静态成员需要初始化 Singleton* Singleton::_instance = nullptr;
实现 2：atexit + 懒汉模式
atexit 函数：在进程结束后利用回调函数自动释放堆空间。
/* 功能：注册给定函数，并在进程结束后调用该函数 参数：函数指针，指向被调用的函数(返回值、参数均为void) */ #include <stdlib.h> int atexit(void (*function)(void));
利用这一特性，在进程结束时 atexit 函数调用销毁函数，完成析构工作。
问题：atexit 函数本身安全，但是多线程环境下。存在线程安全问题。
static Singleton* getInstance() { if(nullptr == _pInstance) { // 问题：多个并发线程可能同时创建对象 _pInstance = new Singleton(); atexit(Singleton::Destructor); } return _pInstance; }
为保证线程安全，需要加锁。对于加锁操作，只有第一次写操作创建对象的时候，需要加锁；其他时候都是读操作，没有必要加锁。因此这里在实现的时候可以采用双重检测 double check的技巧。
#include <stdlib.h> class Singleton { public: static Singleton* getInstance() { // 线程安全，双重检测：double check if (nullptr == _pInstance) { std::lock_guard<std::mutex> lock(_mutex); if (nullptr == _pInstance) { // 问题：多线程环境下，cpu reorder _pInstance = new Singleton(); // 注册回调函数，进程结束后，调用销毁函数 atexit(Singleton::Destructor); } ｝ return _pInstance; } private: Singleton(); ~Singleton(); Singleton(const Singleton &) = delete; Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; Singleton(Singleton &&) = delete; Singleton& operator=(Singleton &&) = delete; // 注册销毁函数为atexit的回调函数，用于在进程结束后释放堆空间 static void Destructor() { if (nullptr != _instance) { delete _instance; _instance = nullptr; } } private: static Singleton* _pInstance; }; Singleton* Singleton::_instance = nullptr;
问题：new 操作符指令重排
C++ 98 表达单线程语义。而在多核多线程的情况下，若 cpu 指令重排，例如：对于 new 运算符的指令执行：分配内存、调用构造函数、返回指针。若发生 cpu 指令重排，会优化为分配内存、返回指针，却还没有调用构造函数初始化数据。此时，若有其他线程访问，可能造成程序的崩溃。
实现 3：原子变量 + 懒汉模式
C++ 11：多线程语义，cpu 指令重排，提供同步原语：原子变量、内存屏障等
原子变量解决
- 原子性问题
- 可见性问题：load 可以看见其他线程最新操作的数据， store 修改数据让其他线程可见
- 执行序问题：
memory_order_acuire不能重排指令，memory_order_release松散指令，可以重排指令。
内存屏障（内存栅栏）解决
- 可见性问题
- 执行序问题
使用原子变量解决原子性、可见性、执行序
class Singleton { public: static Singleton * GetInstance() { Singleton* tmp = _instance.load(std::memory_order_acquire); if (tmp == nullptr) { std::lock_guard<std::mutex> lock(_mutex); tmp = _instance.load(std::memory_order_acquire); if (tmp == nullptr) { tmp = new Singleton; _instance.store(tmp, memory_order_release); atexit(Destructor); } } return tmp; } ... static std::atomic<Singleton*> _instance; static std::mutex _mutex; }; std::atomic<Singleton*> Singleton::_instance; // 静态成员需要初始化 std::mutex Singleton::_mutex; // 互斥锁初始化
改进：若构造函数中存在其他原子性操作，则可以使用松散的指令执行方式，提升运行速度。使用内存屏障，避免 tmp 指针在 new 操作未执行完就返回给用户。
- 原子变量解决：原子性、可见性
- 内存栅栏解决：执行序
class Singleton { public: static Singleton * GetInstance() { Singleton* tmp = _instance.load(std::memory_order_relaxed); // 获取内存屏障 std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire); if (tmp == nullptr) { std::lock_guard<std::mutex> lock(_mutex); tmp = _instance.load(std::memory_order_relaxed); if (tmp == nullptr) { tmp = new Singleton; // 释放内存屏障 std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release); _instance.store(tmp, std::memory_order_relaxed); atexit(Destructor); } } return tmp; } ... static std::atomic<Singleton*> _instance; static std::mutex _mutex; }; std::atomic<Singleton*> Singleton::_instance; // 静态成员需要初始化 std::mutex Singleton::_mutex; // 互斥锁初始化
问题：代码复杂，书写困难。
实现4：atexit + 饿汉模式
懒汉模式是延迟加载，饿汉模式是提前加载。当系统开始运行，加载类的时候就初始化类实例，其他线程无法再创建实例，实现线程安全。
class Singleton { public: static Singleton* Singleton::getInstance() { if(nullptr == _pInstance) { _pInstance = new Singleton(); atexit(Singleton::Destructor); } return _pInstance; } ... }; // 全局初始化，使其在进程创建之前就不为空，防止子进程创建对象 Singleton* Singleton::_instance = getInstance();
问题：无论是否需要该类实例，都必须提前创建。
* 实现5：magic static
源自：C++ effective，C++ 11 magic static 特性，参考官方文档：静态局部变量 static / thread local，推荐使用。
- 静态局部变量在初始化的时候，并发线程同时进入声明语句，并发线程会阻塞等待其初始化结束。线程安全。
- 静态局部变量首次经过它的声明才会被初始化，在其后所有的调用中，声明都会被跳过。
因此，使用定义在栈上的局部静态变量保存单例对象，具备所有优点：
- 延迟加载
- 系统自动调用析构函数，回收内存
- 没有 new 操作带来的 cpu reorder 操作
- 线程安全
class Singleton { public: static Singleton& GetInstance() { // magic static // 定义在栈上的局部静态变量，进程结束后自动释放 static Singleton instance; return instance; } private: Singleton(); ~Singleton(); Singleton(const Singleton &) = delete; Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; Singleton(Singleton &&) = delete; Singleton& operator=(Singleton &&) = delete; };
