C++Singleton的DCLP（双重锁）实现以及性能测评
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根据维基百科，对单例模式的描述是：
确保一个类只有一个实例，并提供对该实例的全局访问。
从这段话，我们可以得出单例模式的最重要特点：
一个类最多只有一个对象
单线程环境
对于一个普通的类，我们可以任意的生成对象，所以我们为了避免生成太多的类，需要将类的构造函数设置为私有。
所以我们写出第一步：
class Singleton { public: private: Singleton() { } };
此时在main中就无法直接生成对象：
Singleton s; //ERROR
那么我们想要获取实例，只能借助于类内部的函数，于是我们添加一个内部的函数，而且必须是static函数（思考为什么）：
class Singleton { public: static Singleton *getInstance() { return new Singleton; } private: Singleton() { } };
class Singleton { public: static Singleton *getInstance() { if(pInstance_ == NULL) //线程的切换 { ::sleep(1); pInstance_ = new Singleton; } return pInstance_; } private: Singleton() { } static Singleton *pInstance_; }; Singleton *Singleton::pInstance_ = NULL;
我们在main中测试：
cout << Singleton::getInstance() << endl;
cout << Singleton::getInstance() << endl;
可以看到生成了相同的对象，单例模式编写初步成功。
多线程环境下的考虑
但是目前的代码就真的没问题了吗？
我写出了以下的测试：
class TestThread : public Thread { public: void run() { cout << Singleton::getInstance() << endl; cout << Singleton::getInstance() << endl; } }; int main(int argc, char const *argv[]) { //测试证明了多线程下本代码存在竞争问题 TestThread threads[12]; for(int ix = 0; ix != 12; ++ix) { threads[ix].start(); } for(int ix = 0; ix != 12; ++ix) { threads[ix].join(); } return 0; }
这里注意，为了达到效果，我特意做了如下改动：
if(pInstance_ == NULL) //线程的切换 { ::sleep(1); pInstance_ = new Singleton; }
这样故意造成线程的切换。
打印结果如下：
0xb1300468 0xb1300498 0x9f88728 0xb1300498 0xb1300478 0xb1300498 0xb1100488 0xb1300498 0xb1300488 0xb1300498 0xb1300498 0xb1300498 0x9f88738 0xb1300498 0x9f88748 0xb1300498 0xb1100478 0xb1300498 0xb1100498 0xb1300498 0xb1100468 0xb1300498 0xb11004a8 0xb11004a8
很显然，我们的代码在多线程下经不起推敲。
怎么办？加锁！ 于是我们再度改进：
class Singleton { public: static Singleton *getInstance() { mutex_.lock(); if(pInstance_ == NULL) //线程的切换 pInstance_ = new Singleton; mutex_.unlock(); return pInstance_; } private: Singleton() { } static Singleton *pInstance_; static MutexLock mutex_; }; Singleton *Singleton::pInstance_ = NULL; MutexLock Singleton::mutex_;
此时测试，无问题。
但是，互斥锁会极大的降低系统的并发能力，因为每次调用都要加锁，等于一群人过独木桥。
我写了一份测试如下：
class TestThread : public Thread { public: void run() { const int kCount = 1000 * 1000; for(int ix = 0; ix != kCount; ++ix) { Singleton::getInstance(); } } }; int main(int argc, char const *argv[]) { //Singleton s; ERROR int64_t startTime = getUTime(); const int KSize = 100; TestThread threads[KSize]; for(int ix = 0; ix != KSize; ++ix) { threads[ix].start(); } for(int ix = 0; ix != KSize; ++ix) { threads[ix].join(); } int64_t endTime = getUTime(); int64_t diffTime = endTime - startTime; cout << "cost : " << diffTime / 1000 << " ms" << endl; return 0; }
开了100个线程，每个调用1M次getInstance，其中getUtime的定义如下：
int64_t getUTime() { struct timeval tv; ::memset(&tv, 0, sizeof tv); if(gettimeofday(&tv, NULL) == -1) { perror("gettimeofday"); exit(EXIT_FAILURE); } int64_t current = tv.tv_usec; current += tv.tv_sec * 1000 * 1000; return current; }
运行结果为：
cost : 6914 ms
采用双重锁模式
上面的测试，我们还无法看出性能问题，我再次改进代码：
class Singleton { public: static Singleton *getInstance() { if(pInstance_ == NULL) { mutex_.lock(); if(pInstance_ == NULL) //线程的切换 pInstance_ = new Singleton; mutex_.unlock(); } return pInstance_; } private: Singleton() { } static Singleton *pInstance_; static MutexLock mutex_; }; Singleton *Singleton::pInstance_ = NULL; MutexLock Singleton::mutex_;
可以看到，我在getInstance中采用了两重检查模式，这段代码的优点体现在哪里？
内部采用互斥锁，代码无论如何是可靠的
new出第一个实例后，后面每个线程访问到最外面的if判断就直接返回了，没有加锁的开销
我再次运行测试，（测试代码不变），结果如下：
cost : 438 ms
啊哈，十几倍的性能差距，可见我们的改进是有效的，仅仅三行代码，却带来了十几倍的效率提升！
尾声
上面这种编写方式成为DCLP（Double-Check-Locking-Pattern）模式，这种方式一度被认为是绝对正确的，但是后来有人指出这种方式在某些情况下也会乱序执行，可以参考Scott的C++ and the Perils of Double-Checked Locking - Scott Meyer