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什么是单例模式

什么是设计模式

单例模式的特点

饿汉实现方式和懒汉实现方式

饿汉方式实现单例模式

懒汉方式实现单例模式

懒汉方式实现单例模式(线程安全版本)

STL,智能指针和线程安全

STL中的容器是否是线程安全的?

智能指针是否是线程安全的?

其他常见的各种锁

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什么是单例模式

单例模式是一种 "经典的, 常用的, 常考的" 设计模式.

什么是设计模式

通俗的来讲，IT行业这么火, 涌入的人很多. 俗话说林子大了啥鸟都有. 大佬和菜鸡们两极分化的越来越严重. 为了让菜鸡们不太拖大佬的后腿, 于是大佬们针对一些经典的常见的场景, 给定了一些对应的解决方案, 这个就是设计模式

单例模式的特点

某些类, 只应该具有一个对象(实例), 就称之为单例.

例如一个男人只能有一个媳妇.

在很多服务器开发场景中, 经常需要让服务器加载很多的数据 (上百G) 到内存中. 此时往往要用一个单例的类来管理这些数据.

饿汉实现方式和懒汉实现方式

[洗完的例子]

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.

懒汉方式最核心的思想是 "延时加载". 从而能够优化服务器的启动速度.

饿汉方式实现单例模式

template <typename T> 
class Singleton { static T data; 
public: static T* GetInstance() { return &data; } 
}; 

只要通过 Singleton 这个包装类来使用 T 对象, 则一个进程中只有一个T对象的实例.

懒汉方式实现单例模式

template <typename T> 
class Singleton { static T* inst; 
public: static T* GetInstance() { if (inst == NULL) { inst = new T(); } return inst; } 
}; 

存在一个严重的问题, 线程不安全.

第一次调用 GetInstance 的时候, 如果两个线程同时调用, 可能会创建出两份 T 对象的实例. 但是后续再次调用, 就没有问题了.

所以，我们一般会在项目中带上锁。

懒汉方式实现单例模式(线程安全版本)

// 懒汉模式, 线程安全 
template <typename T> 
class Singleton { volatile static T* inst; // 需要设置 volatile 关键字, 否则可能被编译器优化. static std::mutex lock; 
public: static T* GetInstance() { if (inst == NULL) { // 双重判定空指针, 降低锁冲突的概率, 提高性能. lock.lock(); // 使用互斥锁, 保证多线程情况下也只调用一次 new. if (inst == NULL) { inst = new T(); } lock.unlock(); } return inst; } 
}; 

注意事项:

1. 加锁解锁的位置

2. 双重 if 判定, 避免不必要的锁竞争

3. volatile关键字防止过度优化

STL,智能指针和线程安全

STL中的容器是否是线程安全的?

不是. 原因是, STL 的设计初衷是将性能挖掘到极致, 而一旦涉及到加锁保证线程安全, 会对性能造成巨大的影响. 而且对于不同的容器, 加锁方式的不同, 性能可能也不同(例如hash表的锁表和锁桶). 因此 STL 默认不是线程安全. 如果需要在多线程环境下使用, 往往需要调用者自行保证线程安全.

智能指针是否是线程安全的?

对于 unique_ptr, 由于只是在当前代码块范围内生效, 因此不涉及线程安全问题.

对于 shared_ptr, 多个对象需要共用一个引用计数变量, 所以会存在线程安全问题.

但是标准库实现的时候考虑到了这个问题, 基于原子操作(CAS)的方式保证 shared_ptr 能够高效, 原子的操作引用计数.

其他常见的各种锁

• 悲观锁：在每次取数据时，总是担心数据会被其他线程修改，所以会在取数据前先加锁（读锁，写锁，行锁等），当其他线程想要访问数据时，被阻塞挂起。
• 乐观锁：每次取数据时候，总是乐观的认为数据不会被其他线程修改，因此不上锁。但是在更新数据前， 会判断其他数据在更新前有没有对数据进行修改。主要采用两种方式：版本号机制和CAS操作。
• CAS操作：当需要更新数据时，判断当前内存值和之前取得的值是否相等。如果相等则用新值更新。若不等则失败，失败则重试，一般是一个自旋的过程，即不断重试。
• 自旋锁，公平锁，非公平锁？
• 1. 自旋锁： 线程获取锁失败时不阻塞，而是循环尝试，适用于短时间持有锁的多核场景。
• 2. 公平锁： 锁的获取严格按照请求顺序（FIFO），保证所有线程最终都能获取锁，避免饥饿。
• 3. 非公平锁： 线程获取锁时直接竞争，允许插队，牺牲公平性换取更高吞吐量。