C++：谈谈单例模式的多种实现形式-阿里云开发者社区

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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

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

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 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：

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

~Singleton(); Singleton(const Singleton &) = delete; Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; Singleton(Singleton &&) = delete; Singleton& operator=(Singleton &&) = delete;