單例模式與線程安全

目錄

線程安全和重?問題

死鎖和活鎖

死鎖

死鎖四個必要條件

活鎖

STL,智能指針和線程安全

線程安全的單例模式

餓漢模式

懶漢模式

懶漢模式實現單例模式(線程安全版本)

餓漢模式實現單例模式

我們來學習單例模式與線程安全

線程安全和重?問題

線程安全：就是多個線程在訪問共享資源時，能夠正確地執?，不會相互?擾或破壞彼此的執?結 果。?般??，多個線程并發同?段只有局部變量的代碼時，不會出現不同的結果。但是對全局變量 或者靜態變量進?操作，并且沒有鎖保護的情況下，容易出現該問題。

重?：同?個函數被不同的執?流調?，當前?個流程還沒有執?完，就有其他的執?流再次進?， 我們稱之為重?。?個函數在重?的情況下，運?結果不會出現任何不同或者任何問題，則該函數被 稱為可重?函數，否則，是不可重?函數。

學到現在，其實我們已經能理解重?其實可以分為兩種情況 ：多線程重?函數 和信號導致?個執?流重復進?函數

所以上面這些都可以不用看的，直接輸出結論：

全局變量屬于臨界資源。

死鎖和活鎖

死鎖

死鎖是指在?組進程中的各個進程均占有不會釋放的資源，但因互相申請被其他進程所站?不會 釋放的資源?處于的?種永久等待狀態。

死鎖是指兩個或多個線程因為相互等待對方釋放資源，導致它們永遠無法繼續執行的狀態。

就是多個線程申請多個未釋放的鎖，然后他們各自卻持有這些鎖(未解鎖)，導致都需要等待對方釋放，比如A線程持有鎖a，B線程持有鎖b，那B今天來申請鎖A，A申請鎖b，這樣A，B線程都需要各自等待對方釋放才能申請成功，跟那個shared_ptr的循環引用無法釋放一樣的道理。

死鎖本質上就是多個線程交叉持有對方需要的資源，但又都不釋放，導致所有線程都卡死在等待狀態。

只有一個線程申請鎖時也可能導致死鎖的，自己重復申請自己上次沒有釋放的鎖，怎么解決死鎖問題，只能使用外部外部干預，要干預首先了解死鎖四個必要條件。

死鎖四個必要條件

互斥條件：?個資源每次只能被?個執?流使?，如果多個執行流可以訪問同一個鎖，怎么可能會死鎖呢。破壞這個條件不太可能，違背鎖的意愿。

請求與保持條件：?個執?流因請求資源?阻塞時，對已獲得的資源保持不放。

不剝奪條件：?個執?流已獲得的資源，在末使?完之前，不能強?剝奪，就是一個線程使用鎖進入臨界區訪問具有原子性，還沒訪問完不能解鎖。

循環等待條件：若?執?流之間形成?種頭尾相接的循環等待資源的關系，導致死鎖完全是在鎖上等待導致的。打破這個簡單呀，使用try_lock進行申請鎖就可以了呀，鎖不可用就返回false。

所以如何避免死鎖就是破壞死鎖的四個必要條件中的一個就可以了，破壞循環等待條件問題：資源?次性分配，使?超時機制、加鎖順序?致，也可以避免鎖未釋放的場景。

活鎖

活鎖是指多個線程不斷地 相互讓步，但因為策略問題，導致它們無法取得進展，活鎖和死鎖的區別就是線程不會一直等待一個沒有解鎖的鎖，而是一直不斷的申請，直至申請成功。相當于這些線程一直在申請結果沒有成功，沒有成功還一直在申請。

由于不停的申請鎖會帶來CPU的高占用，所以也是程序禁止的一種情況。

STL,智能指針和線程安全

STL中的容器不一定都是線程安全的，大部分函數都不支持重入所以都是線程不安全的，STL的設計初衷是將性能挖掘到極致，??旦涉及到加鎖保證線程安全，會對性能造成巨?的影 響。?且對于不同的容器，加鎖?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?，往往需要調?者??保證線程安全。

智能指針是線程安全的，所以我們才愿意將一個線程交給他管理，對于unique_ptr，由于只是在當前代碼塊范圍內?效，因此不涉及線程安全問題。

對于shared_ptr，多個對象需要共??個引?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?操作(CAS)的?式保證shared_ptr能夠?效，原?的操作引?計數。

但是智能指針指向的對象不一定是線程安全的，只是智能指針的操作的線程安全的。

線程安全的單例模式

某些類，只應該具有?個對象(實例)，就稱之為單例。?例如?個男?只能有?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??個單例 的類來管理這些數據。

單例模式主要分為餓漢模式和懶漢模式。要實現單例那這兩種模式都是禁止拷貝的，而且初始化函數必須放為私有，不讓外部直接通過構造函數訪問。

餓漢模式

吃完飯, ?刻洗碗, 這種就是餓漢?式.，因為下?頓吃的時候可以?刻拿著碗就能吃飯。也就是餓漢模式里面肯定已經創建出了一個靜態的對象，等你要調用的時候，通過一個static函數返回，保證返回函數，和創建的靜態變量在類中只有一份，防止拷貝。

懶漢模式

吃完飯, 先把碗放下, 然后下?頓飯?到這個碗了再洗碗, 就是懶漢?式，就是需要時才創建對象的機制，屬于延遲創建/加載，同樣也只有一個對象，所以new出來的對象需要裝在一個static指針里面，而這個指針是類里面已經創建好的。

反正需要時才調用getinstance創建，然后返回。存在?個嚴重的問題，線程不安全。?第?次調?GetInstance的時候，如果兩個線程同時調?，可能會創建出兩份T對象的實例，?但是后續再次調?，就沒有問題了，此時inst就不是空了，不能創建對象了。

懶漢模式實現單例模式(線程安全版本)

#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;
#include<memory>
#include<unistd.h>
#include<vector>
#include<string>
#include<queue>
#include<functional> //
#include"pthread.hpp"
#include"mutex.hpp"
#include"cond.hpp"
#include"log.hpp"namespace threadpoolmodule
{using namespace lockmodule;using namespace threadmodule;using namespace condmodule;using namespace logmodule;using thread_t = shared_ptr<thread>;//用來做測試的線程方法void defaulttest(){while (true){LOG(loglevel::DEBUG) << "我是一個測試方法";sleep(1);}}const static int defaultnum = 5;template<class T>class threadpool{private:bool isempty(){return _taskq.empty();}void HandleTask(string name){LOG(loglevel::INFO) << "線程進入HandleTask的邏輯\n";while (true){T t;{lockguard lockguard(mut);// 1.拿任務while (isempty() && _isrunning){_wait_num++;_cond.wait(mut);_wait_num--;}if (isempty() && !_isrunning){break;}t = _taskq.front();_taskq.pop();}//2 處理任務t(name); //規定，未來所有的任務處理都是必須提供()直接調用的方法}LOG(loglevel::INFO) << "線程：" << name << "退出";}private:threadpool(): _num(defaultnum), _wait_num(0),_isrunning(false){for (int i = 0; i < _num; i++){//_threads.push_back(make_shared<thread>(bind(&threadpool::HandleTask, this, placeholders::_1)));LOG(loglevel::INFO) << "構鍵線程" << _threads.back()->getname() << "對象 。。。成功";}}public:threadpool<T>& operator=(const threadpool<T>&) = delete; //使用operator=的賦值拷貝不能用了threadpool(const threadpool<T>&) = delete;  //賦值拷貝不能用了static threadpool<T>* getinstance(){LOG(loglevel::INFO) << "單例首次被執行，需要加載對象...";if (instance == nullptr){instance = new threadpool<T>();}return instance;}void start(){if (_isrunning){return;}_isrunning = true;for (auto& thread_ptr : _threads){thread_ptr->start();LOG(loglevel::INFO) << "啟動線程" << thread_ptr->getname() << "。。。成功";}}void equeue(T in){lockguard lockguard(mut);if (!_isrunning){return;}_taskq.push(move(in));if ( _wait_num){_cond.notify();}}void stop(){//讓里面的線程都重新自己退出//退出之前需要將所有的任務都處理完，所以需要一次性喚醒所有在等待的線程if (_isrunning){_isrunning = false;if (_wait_num){_cond.notifyall();}}}void join(){for (auto& thread_ptr : _threads){thread_ptr->join();LOG(loglevel::INFO) << "停止線程" << thread_ptr->getname() << "。。。成功";}}~threadpool(){}private:vector<thread_t> _threads;  //線程池中的線程初始個數在數組里面int _num;   //線程池的容量queue<T> _taskq;  //線程池中的任務隊列mutex mut;cond _cond;int _wait_num; //等待隊列線程bool _isrunning;static threadpool<T>* instance;};template<class T>threadpool<T>* threadpool<T>::instance = nullptr; //在外面初始化, 私有的static成員可以在類外初始化
};

instance必須放私有，這樣比較安全。

懶漢模型這種延遲生成，按需生成的技術在操作系統內核用的還是比較多的，像什么寫時拷貝，malloc創建空間，物理地址的映射都是。

“不到萬不得已，絕不提前分配”，這種按需分配的策略在操作系統內核中極為常見，既能提升性能，又能節省資源。

但是外面的getinstance方法還沒有加鎖保護，所以需要多增加一個鎖進行保護。進入函數的時候立即加鎖，加鎖前需要先判斷是否滿足instance是空的，不然白加鎖了，為什么使用雙重判斷呢，外層是為了防止白加鎖，內層是為了防止加鎖失敗或者其他原因導致多個線程進來從而導致instance被賦值兩次。

靜態成員函數不能直接訪問類的非靜態成員變量，所以這個鎖也應該是靜態的才可以被訪問到。

private:vector<thread_t> _threads;  //線程池中的線程初始個數在數組里面int _num;   //線程池的容量queue<T> _taskq;  //線程池中的任務隊列mutex mut;static mutex _lock;cond _cond;int _wait_num; //等待隊列線程bool _isrunning;static threadpool<T>* instance;};template<class T>threadpool<T>* threadpool<T>::instance = nullptr; //在外面初始化, 私有的static成員可以在類外初始化template<class T>mutex threadpool<T>::_lock;

餓漢模式實現單例模式

#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;
#include<memory>
#include<unistd.h>
#include<vector>
#include<string>
#include<queue>
#include<functional> //
#include"pthread.hpp"
#include"mutex.hpp"
#include"cond.hpp"
#include"log.hpp"namespace threadpoolmodule
{using namespace lockmodule;using namespace threadmodule;using namespace condmodule;using namespace logmodule;using thread_t = shared_ptr<thread>;//用來做測試的線程方法void defaulttest(){while (true){LOG(loglevel::DEBUG) << "我是一個測試方法";sleep(1);}}const static int defaultnum = 5;template<class T>class threadpool{private:bool isempty(){return _taskq.empty();}void HandleTask(string name){LOG(loglevel::INFO) << "線程進入HandleTask的邏輯\n";while (true){T t;{lockguard lockguard(mut);// 1.拿任務while (isempty() && _isrunning){_wait_num++;_cond.wait(mut);_wait_num--;}if (isempty() && !_isrunning){break;}t = _taskq.front();_taskq.pop();}//2 處理任務t(name); //規定，未來所有的任務處理都是必須提供()直接調用的方法}LOG(loglevel::INFO) << "線程：" << name << "退出";}private:threadpool(): _num(defaultnum), _wait_num(0),_isrunning(false){for (int i = 0; i < _num; i++){//_threads.push_back(make_shared<thread>(bind(&threadpool::HandleTask, this, placeholders::_1)));LOG(loglevel::INFO) << "構鍵線程" << _threads.back()->getname() << "對象 。。。成功";}}public:threadpool<T>& operator=(const threadpool<T>&) = delete; //使用operator=的賦值拷貝不能用了threadpool(const threadpool<T>&) = delete;  //賦值拷貝不能用了static threadpool<T>* getinstance(){LOG(loglevel::INFO) << "單例首次被執行，需要加載對象...";return &instance;}void start(){if (_isrunning){return;}_isrunning = true;for (auto& thread_ptr : _threads){thread_ptr->start();LOG(loglevel::INFO) << "啟動線程" << thread_ptr->getname() << "。。。成功";}}void equeue(T in){lockguard lockguard(mut);if (!_isrunning){return;}_taskq.push(move(in));if ( _wait_num){_cond.notify();}}void stop(){//讓里面的線程都重新自己退出//退出之前需要將所有的任務都處理完，所以需要一次性喚醒所有在等待的線程if (_isrunning){_isrunning = false;if (_wait_num){_cond.notifyall();}}}void join(){for (auto& thread_ptr : _threads){thread_ptr->join();LOG(loglevel::INFO) << "停止線程" << thread_ptr->getname() << "。。。成功";}}~threadpool(){}private:vector<thread_t> _threads;  //線程池中的線程初始個數在數組里面int _num;   //線程池的容量queue<T> _taskq;  //線程池中的任務隊列mutex mut;cond _cond;int _wait_num; //等待隊列線程bool _isrunning;static threadpool<T> instance;};template<class T>threadpool<T> threadpool<T>::instance; //在外面初始化, 私有的static成員可以在類外初始化
};

這個實現起來差不多呀，而且完全沒有線程安全問題，因為就一個對象。

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