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    【asp.net中C++单例实现问题分析】写出一种单例模式

    时间：2020-05-27来源：山茶花美文网 本文已影响 人 山茶花美文网手机站

    方案一

    代码如下 class QMManager
    {
    public:
    static QMManager &instance()
    {
    static QMManager instance_;
    return instance_;
    }
    }

    这是最简单的版本，在单线程下(或者是C++0X下)是没任何问题的，但在多线程下就不行了，因为static QMManager instance_;这句话不是线程安全的。

    在局部作用域下的静态变量在编译时，编译器会创建一个附加变量标识静态变量是否被初始化，会被编译器变成像下面这样(伪代码)：

    代码如下 static QMManager &instance()
    {
    static bool constructed = false;
    static uninitialized QMManager instance_;
    if (!constructed) {
    constructed = true;
    new(&s) QMManager; //construct it
    }
    return instance_;
    }

    这里有竞争条件，两个线程同时调用instance()时，一个线程运行到if语句进入后还没设constructed值，此时切换到另一线程，constructed值还是false，同样进入到if语句里初始化变量，两个线程都执行了这个单例类的初始化，就不再是单例了。

    方案二

    一个解决方法是加锁：

    代码如下 static QMManager &instance()
    {
    Lock(); //锁自己实现
    static QMManager instance_;
    UnLock();
    return instance_;
    }

    但这样每次调用instance()都要加锁解锁，代价略大。

    方案三

    那再改变一下，把内部静态实例变成类的静态成员，在外部初始化，也就是在include了文件，main函数执行前就初始化这个实例，就不会有线程重入问题了：

    代码如下 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

    这被称为饿汉模式，程序一加载就初始化，不管有没有调用到。

    看似没问题，但还是有坑，在一个2B情况下会有问题：在这个单例类的构造函数里调用另一个单例类的方法可能会有问题。

    看例子：

    代码如下

    //.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 constructorn");
    QMSqlite::instance()->do_something();
    }

    QMSqlite::QMSqlite()
    {
    printf("QMSqlite constructorn");
    }
    void QMSqlite::do_something()
    {
    printf("QMSqlite do_somethingn");
    }

    这里QMManager的构造函数调用了QMSqlite的instance函数，但此时QMSqlite::instance_可能还没有初始化。

    这里的执行流程：程序开始后，在执行main前，执行到QMManager QMManager::instance_;这句代码，初始化QMManager里的instance_静态变量，调用到QMManager的构造函数，在构造函数里调用QMSqlite::instance()，取QMSqlite里的instance_静态变量，但此时QMSqlite::instance_还没初始化，问题就出现了。

    那这里会crash吗，测试结果是不会，这应该跟编译器有关，静态数据区空间应该是先被分配了，在调用QMManager构造函数前，QMSqlite成员函数在内存里已经存在了，只是还未调到它的构造函数，所以输出是这样：

    QMManager constructor

    QMSqlite do_something

    QMSqlite constructor

    方案四

    那这个问题怎么解决呢，单例对象作为静态局部变量有线程安全问题，作为类静态全局变量在一开始初始化，有以上2B问题，那结合下上述两种方式，可以解决这两个问题。boost的实现方式是：单例对象作为静态局部变量，但增加一个辅助类让单例对象可以在一开始就初始化。如下：

    代码如下

    //.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_;

    结合方案3的.cpp，这下可以看到正确的输出和调用了：

    QMManager constructor

    QMSqlite constructor

    QMSqlite do_something

    来看看这里的执行流程：

    初始化QMManager类全局静态变量create_object_

    ->调用object_creator的构造函数

    ->调用QMManager::instance()方法初始化单例

    ->执行QMManager的构造函数

    ->调用QMSqlite::instance()

    ->初始化局部静态变量QMSqlite instance

    ->执行QMSqlite的构造函数，然后返回这个单例。

    跟方案三的区别在于QMManager调用QMSqlite单例时，方案3是取到全局静态变量，此时这个变量未初始化，而方案四的单例是静态局部变量，此时调用会初始化。

    跟最初方案一的区别是在main函数前就初始化了单例，不会有线程安全问题。

    最终boost

    上面为了说明清楚点去除了模版，实际使用是用模版，不用写那么多重复代码，这是boost库的模板实现：

    代码如下

    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;
    //据说这个do_nothing是确保create_object构造函数被调用
    //这跟模板的编译有关
    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;
    }

    其实Boost库这样的实现像打了几个补丁，用了一些奇技淫巧，虽然确实绕过了坑实现了需求，但感觉挺不好的。

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