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什么是單例模式

什么是設計模式

單例模式的特點

餓漢實現方式和懶漢實現方式

餓漢方式實現單例模式

懶漢方式實現單例模式

懶漢方式實現單例模式(線程安全版本)

STL,智能指針和線程安全

STL中的容器是否是線程安全的?

智能指針是否是線程安全的?

其他常見的各種鎖

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什么是單例模式

單例模式是一種 "經典的, 常用的, 常考的" 設計模式.

什么是設計模式

通俗的來講，IT行業這么火, 涌入的人很多. 俗話說林子大了啥鳥都有. 大佬和菜雞們兩極分化的越來越嚴重. 為了讓菜雞們不太拖大佬的后腿, 于是大佬們針對一些經典的常見的場景, 給定了一些對應的解決方案, 這個就是設計模式

單例模式的特點

某些類, 只應該具有一個對象(實例), 就稱之為單例.

例如一個男人只能有一個媳婦.

在很多服務器開發場景中, 經常需要讓服務器加載很多的數據 (上百G) 到內存中. 此時往往要用一個單例的類來管理這些數據.

餓漢實現方式和懶漢實現方式

[洗完的例子]

吃完飯, 立刻洗碗, 這種就是餓漢方式. 因為下一頓吃的時候可以立刻拿著碗就能吃飯.

吃完飯, 先把碗放下, 然后下一頓飯用到這個碗了再洗碗, 就是懶漢方式.

懶漢方式最核心的思想是 "延時加載". 從而能夠優化服務器的啟動速度.

餓漢方式實現單例模式

template <typename T> 
class Singleton { static T data; 
public: static T* GetInstance() { return &data; } 
}; 

只要通過 Singleton 這個包裝類來使用 T 對象, 則一個進程中只有一個T對象的實例.

懶漢方式實現單例模式

template <typename T> 
class Singleton { static T* inst; 
public: static T* GetInstance() { if (inst == NULL) { inst = new T(); } return inst; } 
}; 

存在一個嚴重的問題, 線程不安全.

第一次調用 GetInstance 的時候, 如果兩個線程同時調用, 可能會創建出兩份 T 對象的實例. 但是后續再次調用, 就沒有問題了.

所以，我們一般會在項目中帶上鎖。

懶漢方式實現單例模式(線程安全版本)

// 懶漢模式, 線程安全 
template <typename T> 
class Singleton { volatile static T* inst; // 需要設置 volatile 關鍵字, 否則可能被編譯器優化. static std::mutex lock; 
public: static T* GetInstance() { if (inst == NULL) { // 雙重判定空指針, 降低鎖沖突的概率, 提高性能. lock.lock(); // 使用互斥鎖, 保證多線程情況下也只調用一次 new. if (inst == NULL) { inst = new T(); } lock.unlock(); } return inst; } 
}; 

注意事項:

1. 加鎖解鎖的位置

2. 雙重 if 判定, 避免不必要的鎖競爭

3. volatile關鍵字防止過度優化

STL,智能指針和線程安全

STL中的容器是否是線程安全的?

不是. 原因是, STL 的設計初衷是將性能挖掘到極致, 而一旦涉及到加鎖保證線程安全, 會對性能造成巨大的影響. 而且對于不同的容器, 加鎖方式的不同, 性能可能也不同(例如hash表的鎖表和鎖桶). 因此 STL 默認不是線程安全. 如果需要在多線程環境下使用, 往往需要調用者自行保證線程安全.

智能指針是否是線程安全的?

對于 unique_ptr, 由于只是在當前代碼塊范圍內生效, 因此不涉及線程安全問題.

對于 shared_ptr, 多個對象需要共用一個引用計數變量, 所以會存在線程安全問題.

但是標準庫實現的時候考慮到了這個問題, 基于原子操作(CAS)的方式保證 shared_ptr 能夠高效, 原子的操作引用計數.

其他常見的各種鎖

• 悲觀鎖：在每次取數據時，總是擔心數據會被其他線程修改，所以會在取數據前先加鎖（讀鎖，寫鎖，行鎖等），當其他線程想要訪問數據時，被阻塞掛起。
• 樂觀鎖：每次取數據時候，總是樂觀的認為數據不會被其他線程修改，因此不上鎖。但是在更新數據前， 會判斷其他數據在更新前有沒有對數據進行修改。主要采用兩種方式：版本號機制和CAS操作。
• CAS操作：當需要更新數據時，判斷當前內存值和之前取得的值是否相等。如果相等則用新值更新。若不等則失敗，失敗則重試，一般是一個自旋的過程，即不斷重試。
• 自旋鎖，公平鎖，非公平鎖？
• 1. 自旋鎖： 線程獲取鎖失敗時不阻塞，而是循環嘗試，適用于短時間持有鎖的多核場景。
• 2. 公平鎖： 鎖的獲取嚴格按照請求順序（FIFO），保證所有線程最終都能獲取鎖，避免饑餓。
• 3. 非公平鎖： 線程獲取鎖時直接競爭，允許插隊，犧牲公平性換取更高吞吐量。