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Linux：线程安全的单例模式

article 2024/11/5 4:02:49

设计模式

设计模式听上去是个很高贵的名词，其实就是是一套多数人知晓、被反复使用、经过分类编目的、代码设计经验的总结，简称：对于编程比较典的场景的解决方案

单例模式

单例模式就是其中一种设计模式，是设计模式里的创建型模式（设计模式包含很多种）

单例模式：确保一个类只有一个实例，提供一个全局访问点来访问这个实例，并提供一个全局访问点来获取这个实例。

单例模式通常用于游戏额需要频繁创建和销毁同一对象的场景，单例模式可以减少系统性能开销。

举个例子：在一家火锅店，客人需要火锅调料可以是各种各样的，而商家不会设置很多个自助调料区分开放在不同的地方，而会把他们放在一起，这个所有调料集中的区域就是唯一的自助调料区

在这个栗子中：我们确保了只有一个自助调料区这个实例，提供唯一的位置（全局访问点）来访问这个实例，大家都可以随时、同时、同地访问，避免了资源的浪费

单例模式有两种分类：懒汉模式、饿汉模式

懒汉模式、饿汉模式

等你搞懂就被淘汰啦！

看看下面的代码：

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h> 
typedef struct {
    int value;
}Singleton;
/*
Singleton*getInstance(){
    static Singleton instance;
    return &instance;//直接返回，饿汉模式
}
*/

Singleton*getInstance(){
    static Singleton* instance=NULL;
    if(instance==NULL){//用到的时候才初始化，很懒
        instance=(Singleton*)malloc(sizeof(Singleton));
        instance->value=0;
    }
    return instance;
}
int main(){
    Singleton* p1=getInstance();
    Singleton* p2=getInstance();
    printf("p1==%p\n",p1);//p1==0x562d3adac2a0
                          //p2==0x562d3adac2a0
    printf("p2==%p\n",p2);//打印发现地址一样
    return 0;
}

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h> 
typedef struct {
    int value;
}Singleton;
/*
Singleton*getInstance(){
    static Singleton* instance=NULL;
    if(instance==NULL){//用到的时候才初始化，很懒
        instance=(Singleton*)malloc(sizeof(Singleton));
        instance->value=0;
    }
    return instance;
}
*/

Singleton*getInstance(){
    static Singleton instance;
    return &instance;//直接返回，饿汉模式
}

int main(){
    Singleton* p1=getInstance();
    Singleton* p2=getInstance();
    printf("p1==%p\n",p1);//p1==0x563ce8622014
                          //p2==0x563ce8622014
    printf("p2==%p\n",p2);//打印发现地址一样
    return 0;
}

首先在打印的时候我们可以看出p1和p2的地址是一样的，说明他们是同一个实例，符合单例模式

其次我们来看两者的区别：

饿汉模式是很饥饿，程序启动时就实例化；懒汉模式如其名，只有需要的时候才会创建实例

吃完饭, 立刻洗碗, 这种就是饿汉方式. 因为下一顿吃的时候可以立刻拿着碗就能吃饭

吃完饭, 先把碗放下, 然后下一顿饭用到这个碗了再洗碗, 就是懒汉方式

关于线程安全

饿汉模式因为每次都只涉及到读操作，所以不会引发线程安全问题；但是懒汉模式因为涉及到了读写操作，就为线程安全问题的产生埋下了隐患。

由于线程调度的随机性，当两个线程在同一时间调用该方法时，错落的执行顺序可能导致if语句出现不可避免的错判，进而导致最终创建了两个SingletonLazy实例。

偷的图（java写的），大概就是这个意思

①T1线程执行完if语句，因为第一次调用getIntance方法，intance==null，所以T1线程接下来将要创建SingletonLazy实例，并将其赋值给intance。

②轮到T2线程执行，由于T1线程中尚未进行实例创建，此时仍旧是instance==null，所以if语句判断通过。接下来创建实例、赋值一气呵成，最后还将创建的Singleton对象返回。

③再次轮到T1线程，继续执行，创建了一个和T2线程不同的Singleton实例，引用赋给instance。最后，这个引用又被返回。

综上所述，在多线程情况下竟然出现了两个懒汉实例，这不符合单例模式下一个类只能创建一个实例的原则，很可能产生无法预估的错误，妥妥的bug代码。所以单线程下实现的懒汉模式不是线程安全的。

我们可以引入锁：

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h> 
typedef struct {
    int value;
}Singleton;
pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

Singleton*getInstance(){
    static Singleton* instance=NULL;
    if(instance==NULL){//用到的时候才初始化，很懒
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(instance==NULL){//再判断一次，因为多线程情况下可能由于锁竞争陷入阻塞，所以其他线程可能创建过实例了
        instance=(Singleton*)malloc(sizeof(Singleton));
        instance->value=0;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
    }
    return instance;
}
/*
Singleton*getInstance(){
    static Singleton instance;
    return &instance;//直接返回，饿汉模式
}
*/


int main(){
    Singleton* p1=getInstance();
    Singleton* p2=getInstance();
    printf("p1==%p\n",p1);//p1==0x562d3adac2a0
                          //p2==0x562d3adac2a0
    printf("p2==%p\n",p2);//打印发现地址一样
    return 0;
}

这样就会克服线程随机调度问题

短短的一篇~万圣节快乐捏（金工实习好累）

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