C++單例模式——並非你想的那像簡單

Author：WenHui，WuHan University，2012-12-10

前段時間忙着找工作，有一次面試官讓我用C++寫單例模式，我刷刷刷提筆就來。於是就隨手寫了如下的代碼v1版：

class Singlon
{ 
private:
    static Singlon * inst;

public:      
    static Singlon& instance()
    {
        if(inst != NULL) 
        {
            return *inst;
        }
        else 
        {
            inst = new Singlon();             
            return *inst;
        }
    } // instance
}; // class Singlon

Singlon* Singlon::inst = NULL;

 

v1是一份很標准的單例模式代碼，但不夠實用。面試官看着我，說“你再好好想想...”

我原本很自負，結果被問傻了，緊張之下依稀想起《程序員面試寶典C++版》的內容，好像沒考慮多線程問題。於是絞盡腦汁地回想C++中的線程互斥，還好記起點LINUX C下互斥鎖，於是乎就有了改進的v2版：

class Singlon
{ 
private:
    static Singlon * inst;
    pthread_mutex_t inst_lock;

public:
    static Singlon& instance()
    {
        if(inst != NULL)
        {
            return *inst;
        }
        else 
        {
            pthread_mutex_lock(&inst_lock);
            if(inst == NULL)
            {
                inst = new Singlon();
            } // if
            pthread_mutex_unlock(&inst_lock);
            return *inst;
        } // else
    } // instance
}; // class Singlon

Singlon* Singlon::inst = NULL;
Singlon::inst_lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

 

v2中首先直接判斷inst是否為NULL，若不為NULL則避免調用互斥鎖，因為互斥鎖不僅使用系統調用，而且將導致多線程競爭等待，產生睡眠。

當寫完v2時，終於有種如釋重負的感覺，很欣慰，可是面試官冷冷地問我：“你仔細看看，還有什么問題么？”當時腦子一懵，TMD的還有問題？fuck！仔細再check了一下，發現if語句確實還可以有優化的余地，於是膽戰心驚地寫下了v3版:

class Singlon
{ 
private:
    static Singlon * inst;
    pthread_mutex_t inst_lock;

public:
    static Singlon& instance()
    {
        if(likely(inst != NULL)) 
        {
            return *inst;
        }
        else 
        {
            pthread_mutex_lock(&inst_lock);
            if(likely(inst != NULL))
            {
                pthread_mutex_unlock(&inst_lock);
                return *inst;
            } // if
            else 
            {
                inst = new Singlon();
                pthread_mutex_unlock(&inst_lock);
                return *inst;
            } // else
        } // else
    } // instance
}; // class Singlon

Singlon* Singlon::inst = NULL;
Singlon::inst_lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

 

v3由於互拆鎖會導致效用問題，越盡早釋放越好，所以將一條if語句拆成兩條、遲早釋放，並且將條件概率大的情況放到if而非else中，用likely在匯編層上優化。我感覺這次大體上應該符合面試官要求了，但是面試官繼續追問，“我再給你一次機會好好想想……”當時正值午餐時間，早晨沒吃飯，肚子餓得咕咕叫，腦子都快瘋了。幸好最后換了個思路，寫下v4版:

class Singlon
{ 
private:
    static Singlon * inst;

public:
    static Singlon& instance()
    {           
        return *inst;
    } // instance
}; // class Singlon

Singlon* Singlon::inst = new Singlon();

 

當提交給面試官看時，心想”今天真是倒霉”，幸而走屎運，v4預先創建好一個對象。雖然浪費空間，但不用再考慮TMD的線程互斥問題。面試官看了之后，語重心長地講“你這個浪費空間太大，我要你實現初次使用時再申請。給你最后一次機會檢查檢查代碼。”

暈！當時感覺已經能用的招都用了，后來放棄了，根他解釋了下v3版代碼，然后問他到底哪有問題。他說：“你為什么要使用互斥鎖？”於是給他解釋LINUX下互斥鎖的實現機制。MutexLock使用SpinLock實現互斥，循環檢測並休眠。當時突然想起可以直接用SpinLock實現v3的互斥，因為競爭僅發生一次，SpinLock直接采用循環檢測不休眠的方式，使用“內存屏障”、“CPU屏障”等技術保證內存和CPU指令的“有序”。v5版如下： 

class Singlon
{ 
private:
    static Singlon * inst;
    static raw_spinlock_t inst_lock;

public:
    static Singlon& instance()
    {
        if(likely(inst != NULL)) 
        {
            return *inst;
        }
        else 
        {
            spin_lock(&inst_lock);
            if(likely(inst != NULL))
            {
                spin_unlock(&inst_lock);
                return *inst;
            } // if
            else 
            {
                inst = new Singlon();
                spin_unlock(&inst_lock);
                return *inst;
            } // else
        } // else
    } // instance
}; // class Singlon

Singlon* Singlon::inst = NULL;
spin_lock_init(Singlon::inst_lock);

 

面試官看完v5版之后，問spin_lock的實現原理，由於看過LINUX內核怎么實現所以說得比較清楚。聽完我的解釋，當時已經中午一點多，他也沒有再多說什么，終於結束這個該死的問題。其實C++沒有像JAVA和C#那樣從語法上提供同步互斥的機制，我中間也表示希望換成C#，但他拒絕了，因為自我簡介時說精通C++。唉，~~~~~~

其實，v5版本還可以優化，例如采用無鎖的辦法。但總得說來，只是將spin_lock的代碼簡化了一下內嵌進來。不知道是否有哪位高人可以指點一二，給一個最終優化的C++版單例模式？

《無鎖隊列的實現》，http://www.kuqin.com/algorithm/20120907/330193.html