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非完美C++ Singleton實現[2]

4.解決多線程問題
上一篇實現的Singleton只能在單線程環境中使用,在多線程環境中會出現很多問題,看Instance()實現代碼:
1?static?Singleton&?Instance()?{
2?????if?(0?==?_instance)?{?//1

3?????????_instance?=?new?Singleton();?//2
4?????????atexit(Destroy);
5?
????}
6?????return?*_instance;?//3

7?}
考慮如下情況:線程一調用Instance(),進入//1,0 == _instance 返回true,線程一于是進入//2。這時候線程一被掛起,線程二開始執行,線程二調用Instance(),進入//1,發現0 == _instance 仍然返回true,線程二于是也進入//2,線程二繼續執行到//3直到返回。這時候線程一被喚醒,繼續從//2開始執行,這將會覆蓋線程二創建的_instance,線程一繼續執行到//3直到返回...

解決方法很簡單,引入相關同步對象(synchronization object)就行了,例如在win32平臺下可以如下實現:
synobj.h
?1?#ifndef?SYNOBJ_H
?2?
#define?SYNOBJ_H
?3?

?4?#include?<windows.h>
?5?
?6?#define?CLASS_UNCOPYABLE(classname)?\
?7?????private
:?\
?8?????classname(const?classname&
);?\
?9?????classname&?operator=(const?classname&
);
10?

11?class?Mutex?{
12?
????CLASS_UNCOPYABLE(Mutex)
13?public
:
14?????Mutex()?:_cs()?{?InitializeCriticalSection(&
_cs);?}
15?????~Mutex()?{?DeleteCriticalSection(&
_cs);?}
16?????void?lock()?{?EnterCriticalSection(&
_cs);?}
17?????void?unlock()?{?LeaveCriticalSection(&
_cs);?}
18?private
:
19?
????CRITICAL_SECTION?_cs;
20?
};
21?

22?class?Lock?{
23?
????CLASS_UNCOPYABLE(Lock)
24?public
:
25?????explicit?Lock(Mutex&
?cs)?:_cs(cs)?{?_cs.lock();?}
26?????~
Lock()?{?_cs.unlock();?}
27?private
:
28?????Mutex&
?_cs;
29?
};
30?

31?#endif/*SYNOBJ_H*/

有了同步對象很容易就能夠寫出如下代碼:
singleton.h
?1?#ifndef?SINGLETON_H
?2?
#define?SINGLETON_H
?3?

?4?#include?"synobj.h"
?5?
?6?class?Singleton?{
?7?public
:
?8?????static?Singleton&?Instance()?{?//?Unique?point?of?access

?9?????????Lock?lock(_mutex);
10?????????if?(0?==
?_instance)?{
11?????????????_instance?=?new
?Singleton();
12?????????????atexit(Destroy);?//?Register?Destroy?function

13?????????}
14?????????return?*
_instance;
15?
????}
16?????void
?DoSomething(){}
17?private
:
18?????static?void?Destroy()?{?//?Destroy?the?only?instance

19?????????if?(?_instance?!=?0?)?{
20?
????????????delete?_instance;
21?????????????_instance?=?0
;
22?
????????}
23?
????}
24?????Singleton(){}?//?Prevent?clients?from?creating?a?new?Singleton

25?????~Singleton(){}?//?Prevent?clients?from?deleting?a?Singleton
26?????Singleton(const?Singleton&);?//?Prevent?clients?from?copying?a?Singleton
27?????Singleton&?operator=(const?Singleton&);
28?private
:
29?????static
?Mutex?_mutex;
30?????static?Singleton?*_instance;?//?The?one?and?only?instance

31?};
32?

33?#endif/*SINGLETON_H*/

singleton.cpp
1?#include?"singleton.h"
2?
3?Mutex?Singleton::_mutex;
4?Singleton*?Singleton::_instance?=?0;
現在的Singleton雖然多線程安全,性能卻受到了影響。從Instance()中可以看到,實際上僅僅當0 == _instance為true時才需要Lock。你很容易就寫出如下代碼:
1?static?Singleton&?Instance()?{
2?????if?(0?==
?_instance)?{
3?
????????Lock?lock(_mutex);
4?????????_instance?=?new
?Singleton();
5?
????????atexit(Destroy);
6?
????}
7?????return?*
_instance;
8?}
但是這樣還是會產生競爭條件(race condition),一種廣為人知的做法是使用所謂的Double-Checked Locking:
?1?static?Singleton&?Instance()?{
?2?????if?(0?==
?_instance)?{
?3?
????????Lock?lock(_mutex);
?4?????????if?(0?==
?_instance)?{
?5?????????????_instance?=?new
?Singleton();
?6?
????????????atexit(Destroy);
?7?
????????}
?8?
????}
?9?????return?*
_instance;
10?}
Double-Checked Locking機制看起來像是一個完美的解決方案,但是在某些條件下仍然不行。簡單的說,編譯器為了效率可能會重排指令的執行順序(compiler-based reorderings)。看這一行代碼:

_instance?=?new?Singleton();

在編譯器未優化的情況下順序如下:
1.new operator分配適當的內存;
2.在分配的內存上構造Singleton對象;
3.內存地址賦值給_instance。


但是當編譯器優化后執行順序可能如下:
1.new operator分配適當的內存;
2.內存地址賦值給_instance;
3.在分配的內存上構造Singleton對象。


當編譯器優化后,如果線程一執行到2后被掛起。線程二開始執行并發現0 == _instance為false,于是直接return,而這時Singleton對象可能還未構造完成,后果...

上面說的還只是單處理器的情況,在多處理器(multiprocessors)的情況下,超線程技術必然會混合執行指令,指令的執行順序更無法保障。關于Double-Checked Locking的更詳細的文章,請看:
The "Double-Checked Locking is Broken" Declaration

5.使用volatile關鍵字
為了說明問題,請先考慮如下代碼:
?1?class?MyThread?:?public?Thread?{
?2?public
:
?3?????virtual?void
?run()?{
?4?????????while?(!
_stopped)?{
?5?????????????//do?something

?6?????????}
?7?
????}
?8?????void
?stop()?{
?9?????????_stopped?=?true
;
10?
????}
11?private
:
12?
????bool?_stopped;
13?
};
14?

15?...
16?
17?MyThread?thread;
18?thread.start();
上面用thread.start()開啟了一個線程,該線程在while循環中檢測bool標記_stopped,看是否該繼續執行。如果想要結束這個線程,調用thread.stop()應該沒問題。但是需要注意的是編譯器很有可能對_stopped的存取進行優化。如果編譯器發現_stopped被頻繁存取(_stopped在while循環中),編譯器可能會考慮將_stopped緩存到寄存器中,以后_stopped將會直接從寄存器存取。這時候如果某個線程調用了thread.stop(),對_stopped的修改將不會反映到寄存器中,thread將會永遠循環下去...

為了防止編譯器優化,用volatile關鍵字就OK了,volatile跟const的用法幾乎一樣,能用const的地方也都能用volatile。對Singleton來說,修改如下兩處即可:
1?//singleton.h中
2?static?Singleton?*_instance;
3?//改為

4?static?Singleton?*?volatile?_instance;
5?

6?//singleton.cpp中
7?Singleton*?Singleton::_instance?=?0;
8?//改為

9?Singleton*?volatile?Singleton::_instance?=?0;


6.將Singleton泛化為模板
singleton.h
?1?#ifndef?SINGLETON_H
?2?
#define?SINGLETON_H
?3?

?4?#include?"synobj.h"
?5?
?6?template<class?T>
?7?class?Singleton?{
?8?
????CLASS_UNCOPYABLE(Singleton)
?9?public
:
10?????static?T&?Instance()?{?//?Unique?point?of?access

11?????????if?(0?==?_instance)?{
12?
????????????Lock?lock(_mutex);
13?????????????if?(0?==
?_instance)?{
14?????????????????_instance?=?new
?T();
15?
????????????????atexit(Destroy);
16?
????????????}
17?
????????}
18?????????return?*
_instance;
19?
????}
20?protected
:
21?
????Singleton(){}
22?????~
Singleton(){}
23?private
:
24?????static?void?Destroy()?{?//?Destroy?the?only?instance

25?????????if?(?_instance?!=?0?)?{
26?
????????????delete?_instance;
27?????????????_instance?=?0
;
28?
????????}
29?
????}
30?????static
?Mutex?_mutex;
31?????static?T?*?volatile?_instance;?//?The?one?and?only?instance

32?};
33?

34?template<class?T>
35?Mutex?Singleton<T>::_mutex;
36?

37?template<class?T>
38?T?*?volatile?Singleton<T>::_instance?=?0;
39?

40?#endif/*SINGLETON_H*/

測試代碼:
test.cpp
?1?#include?"singleton.h"
?2?
?3?class?A?:?public?Singleton<A>?{
?4?????friend?class?Singleton<A>
;
?5?protected
:
?6?
????A(){}
?7?????~
A(){}
?8?public
:
?9?????void
?DoSomething(){}
10?
};
11?

12?int?main()?{
13?

14?????A?&a?=?A::Instance();
15?
????a.DoSomething();
16?

17?????return?0;
18?}


7.Singleton的析構問題
到此Singleton已經算比較完善了,但是依然算不上完美,因為到現在只是解決了多線程問題,加入了模板支持,對于KDL problem(The Dead Reference Problem)依然沒法解決,可以說在實現Singleton模式時,最大的問題就是多個有依賴關系的Singleton的析構順序。雖然Modern C++ Design中給出了解決方案,但是Loki的實現太過復雜,在此就不詳細說明了,有興趣的可以看看Modern C++ Design,當然了,Loki庫中用策略模式實現的Singleton也很不錯!

posted on 2007-09-07 23:22 螞蟻終結者 閱讀(5085) 評論(13)  編輯 收藏 引用 所屬分類: Design Pattern

Feedback

# re: 非完美C++ Singleton實現[2] 2007-09-08 09:12 sneaker

"The Dead Reference Problem"確實是實現Singleton的首要問題  回復  更多評論   

# re: 非完美C++ Singleton實現[2] 2007-09-09 03:25 func

華麗的推演,“裱”成PDF收藏~期待下篇  回復  更多評論   

# re: 非完美C++ Singleton實現[2] 2007-09-10 11:14 ChenA

volatile也解決不了多線程的問題,詳情請看C++ and the Perils of Double-Checked Locking。
KDL的問題設計成不依賴不就行了,需要依賴關系的手動釋放,這是最簡單的辦法。  回復  更多評論   

# re: 非完美C++ Singleton實現[2] 2007-09-10 11:33 螞蟻終結者

@ChenA
thanks!  回復  更多評論   

# re: 非完美C++ Singleton實現[2] 2007-09-19 14:24 func

我的理解,volatile雖然不能解決多線程的很多問題,但這里的使用應該解決了問題.  回復  更多評論   

# re: 非完美C++ Singleton實現[2] 2007-10-09 14:33 fr3@K

已知 : global (static) instance 在 multithreading 下有啟始上的問題。
試問 : 如何用一個 global instance (mutex) 去確保另一個 global instance 的啟始正確?

請參考拙著 Is your Singleton Broken? (http://fsfoundry.org/codefreak/2006/05/05/is-your-singleton-broken/)  回復  更多評論   

# re: 非完美C++ Singleton實現[2] 2007-10-09 16:30 螞蟻終結者

@fr3@K
實際上multithreading的問題不在于mutex這里,一個好的設計會在main函數真正啟動后再調用Instance(),而這時候global object可以確保已經初始化,即在調用Instance()時可以保證mutex已經初始化。因此只要程序在真正進入main函數以前不調用Instance(),就不會有global instance的初始化問題。  回復  更多評論   

# re: 非完美C++ Singleton實現[2] 2007-10-09 16:32 螞蟻終結者

其實后來覺得多數情況下eager initialization要優于lazy initialization。
如經典的Meyer's Singleton以及Boost::singleton
  回復  更多評論   

# re: 非完美C++ Singleton實現[2] 2007-10-09 16:42 王博煒

強  回復  更多評論   

# re: 非完美C++ Singleton實現[2] 2007-10-09 21:00 fr3@K

@螞蟻終結者

我的考量多是站在 library writer (職業病) 的角度。
Library 常需要在程式一 load 上來就把 static (global) instance 啟始好. 總不好要求使用者進入 main() 才能使用.

希望你能把進入 main() 之后再呼叫 Instance() 這段加入你的文章里面, 以免誤導了讀者如我輩.

我是盡量避免 lazy initialization 的人, 尤其是在 static instance (singleton) 的創建上. Lazy initialization 的策略有可能造成譬如說一個 global logger 在某個對象的虛構函數內第一次被使用 (或許可能性很小, 但畢竟不能 100% 排除), 而我們又無法保證該 logger 肯定會被創建成功. 這樣是否代表我們必須在每個使用到 logger 的 destructor 內部做 try-and-catch? 等等問題...  回復  更多評論   

# re: 非完美C++ Singleton實現[2] 2007-10-10 09:06 螞蟻終結者

@fr3@K
謝謝你的建議。
不能從static code中調用Instance()確實是一種限制。我想應該可以通過某種類似Boost::singleton中的技巧來確保static object(mutex)在Instance()之前初始化。有時間了再把這段內容補上。  回復  更多評論   

# re: 非完美C++ Singleton實現[2] 2008-05-06 09:21 sodar

非常好的文章,學習了

可是遇到一個問題,如果我是在動態庫工程中使用這個Singleton,因為atexit不能用于DLL,這種實現是不是會有問題呢?  回復  更多評論   

# re: 非完美C++ Singleton實現[2] 2008-05-06 22:02 螞蟻終結者

@sodar
能說下在動態庫工程中使用Singleton的具體需求嗎?dll中用atexit注冊的函數在FreeLibrary的時候會被調用,可以保證Singleton安全析構。  回復  更多評論   

# re: 非完美C++ Singleton實現[2] 2012-05-28 08:26 SYBILRobbins

This is known that cash can make us autonomous. But what to do when somebody does not have money? The only one way is to try to get the <a href="http://goodfinance-blog.com/topics/business-loans">business loans</a> and financial loan.   回復  更多評論   

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