C++多线程环境下的单例类对象创建

使用C++无锁编程实现多线程下的单例模式

贺志国
2023.8.1

一、尺寸较小的类单例对象创建

如果待创建的单例类SingletonForMultithread内包含的成员变量较少,整个类占用的内存空间较小,则可以使用如下方法来创建单例对象(如果类的尺寸较大则不允许,64位Linux系统默认栈的最大空间为8 MB,64位Windows系统默认栈的最大空间为1 MB):

class SmallSingletonForMultithread {
 public:
  static SmallSingletonForMultithread& GetInstance() {
    static SmallSingletonForMultithread instance;
    return instance;
  }
  
 private:
  SmallSingletonForMultithread() = default;
  ~SmallSingletonForMultithread() = default;

  SmallSingletonForMultithread(const SmallSingletonForMultithread&) = delete;
  SmallSingletonForMultithread& operator=(const SmallSingletonForMultithread&) = delete;
  SmallSingletonForMultithread(SmallSingletonForMultithread&&) = delete;
  SmallSingletonForMultithread& operator=(SmallSingletonForMultithread&&) = delete;
};

二、尺寸较大的类单例对象创建(要求显式调用销毁函数来避免内存泄漏)

在实际工作中,由于某些单例类的尺寸较大,静态变量存储栈区无法容纳该单例对象,因此无法使用上述方法来创建单例对象,这时需要使用new在堆区动态创建单例对象。为了避免多线程环境下对于单例对象的抢夺,可使用C++无锁编程来实现。需要付出的代价就是,最后一个调用者需要显式地调用销毁函数DestoryInstance来避免内存泄漏,示例代码如下所示:

#include <atomic>
#include <cassert>
#include <mutex>

class SingletonForMultithread {
 public:
  static SingletonForMultithread* GetInstance() {
    if (!instance_.load(std::memory_order_acquire)) {
      auto* new_ptr = new SingletonForMultithread;
      SingletonForMultithread* old_ptr = nullptr;
      if (!instance_.compare_exchange_strong(old_ptr, new_ptr,
                                             std::memory_order_release,
                                             std::memory_order_relaxed)) {
        // If the CAS operation fails, another thread has created a singleton
        // object, and it's necessary to delete the temporary object created by
        // the current thread.
        delete new_ptr;
        new_ptr = nullptr;
      }
    }

    return instance_.load(std::memory_order_relaxed);
  }

  static void DestoryInstance() {
    if (instance_.load(std::memory_order_acquire)) {
      auto* old_ptr = instance_.load(std::memory_order_relaxed);
      SingletonForMultithread* new_ptr = nullptr;
      if (instance_.compare_exchange_strong(old_ptr, new_ptr,
                                            std::memory_order_release,
                                            std::memory_order_relaxed)) {
        // If the CAS operation succeeds, the current thread obtains the
        // original object and can safely delete it.
        delete old_ptr;
        old_ptr = nullptr;
      }
    }
  }

 private:
  SingletonForMultithread() = default;
  ~SingletonForMultithread() = default;

  SingletonForMultithread(const SingletonForMultithread&) = delete;
  SingletonForMultithread& operator=(const SingletonForMultithread&) = delete;
  SingletonForMultithread(SingletonForMultithread&&) = delete;
  SingletonForMultithread& operator=(SingletonForMultithread&&) = delete;

 private:
  static std::atomic<SingletonForMultithread*> instance_;
};

// Static member variable initialization
std::atomic<SingletonForMultithread*> SingletonForMultithread::instance_;

int main() {
  auto* singleton = SingletonForMultithread::GetInstance();
  assert(singleton != nullptr);

  singleton->DestoryInstance();

  return 0;
}

三、尺寸较大的类单例对象创建(使用std::unique_ptr<T>std::call_once实现)

很多时候,我们无法显式地调用销毁函数来避免内存泄漏,这时就可借助std::unique_ptr<T>std::call_once来实现,示例代码如下:

#include <cassert>
#include <memory>
#include <mutex>

class SingletonForMultithread {
 public:
  ~SingletonForMultithread() = default;

  static SingletonForMultithread* GetInstance() {
    static std::unique_ptr<SingletonForMultithread> instance;
    static std::once_flag only_once;

    std::call_once(only_once,
                   []() { instance.reset(new SingletonForMultithread); });

    return instance.get();
  }

 private:
  SingletonForMultithread() = default;

  SingletonForMultithread(const SingletonForMultithread&) = delete;
  SingletonForMultithread& operator=(const SingletonForMultithread&) = delete;
  SingletonForMultithread(SingletonForMultithread&&) = delete;
  SingletonForMultithread& operator=(SingletonForMultithread&&) = delete;
};

int main() {
  auto* singleton = SingletonForMultithread::GetInstance();
  assert(singleton != nullptr);

  return 0;
}

但我在Ubuntu 20.04系统上使用GCC 9.4.0似乎无法正常完成任务,会抛出异常,产生core dump,原因暂不详。
gcc
core dump

四、尺寸较大的类单例对象创建(使用std::unique_ptr<T>std::atomic_flag实现)

第三节借助std::unique_ptr<T>std::call_once来实现单例对象的创建,同时避免显式地调用销毁函数来避免内存泄漏。这种方法在Ubuntu 20.04系统上使用GCC 9.4.0实现时似乎会导致程序core dump。于是我们使用std::atomic_flag替换std::call_once来完成任务。基本思想如下:首先定义一个静态的无锁标志变量std::atomic_flag start_flag,并将其初始值设置为ATOMIC_FLAG_INIT。第一次调用start_flag.test_and_set(std::memory_order_relaxed)函数时,由于start_flag的状态是ATOMIC_FLAG_INIT,该函数返回false,于是可调用instance.reset(new SingletonForMultithread)创建单例对象。第二次直至第N次调用start_flag.test_and_set(std::memory_order_relaxed)函数时,因为start_flag的状态已被设置,该函数返回true,创建单例对象的语句instance.reset(new SingletonForMultithread)永远不会被再次执行,这就达到了只创建一次的目的。同时,因为使用静态的智能指针变量std::unique_ptr<SingletonForMultithread> instance来管理单例对象,于是不再需要显式地回收内存,只要程序结束,静态变量自动清除,智能指针对象instance会在其析构函数中释放内存。

由于new运算符创建单例对象可能耗时较长,为了避免其他线程在单例对象创建到一半的过程中读取到不完整的对象,导致未定义的行为,我们使用另一个原子变量std::atomic<bool> finished来确保创建动作已正确完成,不选用另一个无锁标志变量std::atomic_flag的原因是,该类在C++ 20标准前未提供的单独的测试函数testfinished.store(true, std::memory_order_release);while (!finished.load(std::memory_order_acquire))的内存顺序,实现了synchronizes-withhappens-before关系,保证在while (!finished.load(std::memory_order_acquire))成功时,instance.reset(new SingletonForMultithread);必定执行完毕。

完整的示例代码如下:

#include <atomic>
#include <cassert>
#include <memory>
#include <mutex>
#include <thread>

class SingletonForMultithread {
 public:
  ~SingletonForMultithread() = default;

  static SingletonForMultithread* GetInstance() {
    static std::unique_ptr<SingletonForMultithread> instance;
    static std::atomic_flag start_flag = ATOMIC_FLAG_INIT;
    static std::atomic<bool> finished(false);

    if (!start_flag.test_and_set(std::memory_order_relaxed)) {
      // The object created by the `new` operator may be relatively large and
      // time-consuming, therefore another atomic variable 'finished' is used to
      // ensure that other threads read a fully constructed singleton object. Do
      // not consider using another `std::atomic_flag`. Because it doesn't
      // provide a separate `test` function before the C++20 standard.
      instance.reset(new SingletonForMultithread);
      finished.store(true, std::memory_order_release);
    }

    // Wait in a loop until the singleton object is fully created, using
    // `std::this_thread::yield()` to save CPU resources.
    while (!finished.load(std::memory_order_acquire)) {
      std::this_thread::yield();
    }

    return instance.get();
  }

 private:
  SingletonForMultithread() = default;

  SingletonForMultithread(const SingletonForMultithread&) = delete;
  SingletonForMultithread& operator=(const SingletonForMultithread&) = delete;
  SingletonForMultithread(SingletonForMultithread&&) = delete;
  SingletonForMultithread& operator=(SingletonForMultithread&&) = delete;
};

int main() {
  auto* singleton = SingletonForMultithread::GetInstance();
  assert(singleton != nullptr);

  return 0;
}

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:/a/55509.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系我们进行投诉反馈qq邮箱809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

穷举深搜暴搜回溯剪枝(1)

一)全排列: 46. 全排列 - 力扣&#xff08;LeetCode&#xff09; 1)先画出决策树: 越详细越好&#xff0c;就是我们在进行暴力枚举这道题的过程中&#xff0c;如何不重不漏地将所有的情况全部枚举到&#xff0c;把这个思想历程给画下来&#xff0c;就可以了&#xff0c;把每一步…

PHP高级检索功能的实现以及动态拼接sql

我们学习了解了这么多关于PHP的知识&#xff0c;不知道你们对PHP高级检索功能的实现以及动态拼接sql是否已经完全掌握了呢&#xff0c;如果没有&#xff0c;那就跟随本篇文章一起继续学习吧! PHP高级检索功能的实现以及动态拼接sql。完成的功能有&#xff1a;可以单独根据一个…

k8s部署xxl-job分布式任务调度服务

一、背景 什么时候需要把xxl-job部署到k8s里 当你的java服务部署到K8S后&#xff0c;因为xxl-job的任务调度器需要对注册上来的执行器进行健康检测&#xff0c;而java服务作为执行器&#xff0c;注册地址是pod的Ip地址&#xff1b;所以&#xff0c;调度器想要访问执行器的网路…

DevExpress WPF Tree List组件,让数据可视化程度更高!(二)

DevExpress WPF Tree List组件是一个功能齐全、数据感知的TreeView-ListView混合体&#xff0c;可以把数据信息显示为REE、GRID或两者的组合&#xff0c;在数据绑定或非绑定模式下&#xff0c;具有完整的数据编辑支持。 在上文中&#xff08;点击这里回顾DevExpress WPF Tree …

JavaScript 简单实现观察者模式和发布-订阅模式

JavaScript 简单实现观察者模式和发布-订阅模式 1. 观察者模式1.1 什么是观察者模式1.2 代码实现 2. 发布-订阅模式2.1 什么是发布-订阅模式2.2 代码实现2.2.1 基础版2.2.2 取消订阅2.2.3 订阅一次 1. 观察者模式 1.1 什么是观察者模式 概念&#xff1a;观察者模式定义对象间…

IBM Spectrum LSF (“LSF“ ,简称为负载共享设施) 用户案例

IBM Spectrum LSF (“LSF” &#xff0c;简称为负载共享设施) 用户案例 IBM Spectrum LSF (“LSF” &#xff0c;简称为负载共享设施) 软件是业界领先的企业级软件。 LSF 在现有异构 IT 资源之间分配工作&#xff0c;以创建共享&#xff0c;可扩展且容错的基础架构&#xff0c…

纯css实现九宫格图片

本篇文章所分享的内容主要涉及到结构伪类选择器&#xff0c;不熟悉的小伙伴可以了解一下&#xff0c;在常用的css选择器中我也有分享相关内容。 话不多说&#xff0c;接下来我们直接上代码&#xff1a; <!DOCTYPE html> <html lang"en"><head>&l…

如何在烟草行业运用IPD?

从当前的世界烟草行业来看&#xff0c;烟草经济的发展十分迅速&#xff0c;中国是烟草生产与消费第一大国&#xff0c;每年由我国生产与出售的烟草远销世界各地。与此同时&#xff0c;中国烟草行业的集中度越来越高&#xff0c;企业的数量与规模稳步上升&#xff0c;行业迈向规…

【iOS】通知原理

我们可以通过看通知的实现机制来了解通知中心是怎么实现对观察者的引用的。由于苹果对Foundation源码是不开源的&#xff0c;我们具体就参考一下GNUStep的源码实现。GNUStep的源码地址为&#xff1a;GNUStep源码GitHub下载地址, 具体源码可以进行查看。 通知的主要流程 通知全…

简单工厂模式(Simple Factory)

简单工厂模式&#xff0c;又称为静态工厂方法(Static Factory Method)模式。在简单工厂模式中&#xff0c;可以根据参数的不同返回不同类的实例。简单工厂模式专门定义一个类来负责创建其他类的实例&#xff0c;被创建的实例通常都具有共同的父类。简单工厂模式不属于GoF的23个…

瑞吉外卖项目----(2)缓存优化

1 缓存优化 1.0 问题说明 1.1 环境搭建 将项目推送到远程仓库里&#xff0c;教程在git 提交远程仓库前建议取消代码检查 创建新的分支v1.0&#xff08;用于实现缓存优化&#xff09;并推送到远程仓库 1.1.1 maven坐标 导入spring-data-redis的maven坐标&#xff1a; &l…

Notepad++工具通过正则表达式批量替换内容

1.每行末尾新增特定字符串 CtrlH弹出小窗口&#xff1b;查找目标输入$&#xff0c;替换为输入特定字符串&#xff1b;选中循环查找&#xff0c;查找模式选正则表达式&#xff1b;最后点击全部替换 2.每行行首新增特定字符串 CtrlH弹出小窗口&#xff1b;查找目标输入^&…

【MybBatis高级篇】MyBatis 拦截器

【MybBatis高级篇】MyBatis 拦截器 拦截器介绍实现拦截器注册拦截器应用ymlDynamicSqlDao 层代码xml启动类拦截器核心代码代码测试 拦截器应用场景 MyBatis 是一个流行的 Java 持久层框架&#xff0c;它提供了灵活的 SQL 映射和执行功能。有时候我们可能需要在运行时动态地修改…

FPGA2-采集OV5640乒乓缓存后经USB3.0发送到上位机显示

1.场景 基于特权A7系列开发板&#xff0c;采用OV5640摄像头实时采集图像数据&#xff0c;并将其经过USB3.0传输到上位机显示。这是验证数据流能力的很好的项目。其中&#xff0c;用到的软件版本&#xff0c;如下表所示&#xff0c;基本的硬件情况如下。该项目对应FPGA工程源码…

机器学习-特征选择:如何使用Lassco回归精确选择最佳特征?

一、引言 特征选择在机器学习领域中扮演着至关重要的角色&#xff0c;它能够从原始数据中选择最具信息量的特征&#xff0c;提高模型性能、减少过拟合&#xff0c;并加快模型训练和预测的速度。在大规模数据集和高维数据中&#xff0c;特征选择尤为重要&#xff0c;因为不必要的…

windows基础命令

提示&#xff1a;文章写完后&#xff0c;目录可以自动生成&#xff0c;如何生成可参考右边的帮助文档 目录 前言 一.目录和文件的操作 1.cd 命令 切换到d盘 2.目录分为相对路径和绝对路径 3. dir命令 用于显示目录和文件列表 4. md 或 mkdir 创建目录 5. rd 用于删…

LeetCode·每日一题·822. 翻转卡片游戏·哈希

作者&#xff1a;小迅 链接&#xff1a;https://leetcode.cn/problems/card-flipping-game/solutions/2368969/ha-xi-zhu-shi-chao-ji-xiang-xi-by-xun-ge-7ivj/ 来源&#xff1a;力扣&#xff08;LeetCode&#xff09; 著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权&#xff…

ChatGPT | 分割Word文字及表格,优化文本分析

知识库读取Word内容时&#xff0c;由于embedding切片操作&#xff0c;可能会出现表格被分割成多个切片的情况。这种切片方式可能导致“列名栏”和“内容栏”之间的Y轴关系链断裂&#xff0c;从而无法准确地确定每一列的数据对应关系&#xff0c;从而使得无法准确知道每一列的数…

RabbitMQ 教程 | 第2章 RabbitMQ 入门

&#x1f468;&#x1f3fb;‍&#x1f4bb; 热爱摄影的程序员 &#x1f468;&#x1f3fb;‍&#x1f3a8; 喜欢编码的设计师 &#x1f9d5;&#x1f3fb; 擅长设计的剪辑师 &#x1f9d1;&#x1f3fb;‍&#x1f3eb; 一位高冷无情的编码爱好者 大家好&#xff0c;我是 DevO…

02 笔记本电脑m.2硬盘更换

1 工具展示 SN570的2T硬盘。够用了。 对于这台华为&#xff0c;使用的螺丝刀批头是4或5毫米的六边形批头。如果出现打滑的情况&#xff0c;请不要用蛮力哦。 2 更换过程 使用螺丝刀拧走后盖的螺丝&#xff08;为了避免会出问题要再次打开&#xff0c;我到现在还没有把螺丝拧回…