单例模式和读者写者问题

10. 线程安全的单例模式

10.1 什么是设计模式

设计模式（Design Pattern）是软件工程中的一种最佳实践，它是在特定场景下解决特定问题的成熟模板或方案。设计模式是面向对象软件开发过程中经过验证的经验和智慧的结晶，它们提供了一种通用的、可复用的解决方案来解决在软件设计中遇到的常见问题。

10.2 什么是单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是一种常用的软件设计模式，其核心目的是确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取这个实例。这种模式在需要控制资源访问、节省系统资源、协调系统中的共享资源时非常有用。

10.3 单例模式的特点

单例模式的主要特点包括：

1. 唯一性：确保一个类只有一个实例。
2. 全局访问：提供一个全局访问点来获取这个唯一的实例。

10.4 饿汉方式和懒汉方式

饿汉方式（Eager Initialization）

饿汉方式是指在程序启动时就立即创建单例对象。这种方式的优点是简单、线程安全，因为对象的创建是在程序启动时完成的，不存在多线程同时访问的问题。缺点是如果单例对象的创建比较耗时或者占用资源较多，可能会影响程序的启动速度。

懒汉方式的单例模式实现如下：

class Singleton 
{
public:
    static Singleton& getInstance() 
    {
        return instance;
    }
private:
    static Singleton instance; // 静态成员变量，饿汉式，直接在类中创建实例
    Singleton() {} // 私有构造函数
    Singleton(const Singleton&) = delete; // 禁止拷贝构造
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; // 禁止赋值操作
};

// 在类外初始化静态成员变量
Singleton Singleton::instance;

懒汉方式（Lazy Initialization）

懒汉方式是指在第一次使用单例对象时才创建它。这种方式的优点是可以延迟对象的创建，从而加快程序的启动速度，并且只有在真正需要时才创建对象。缺点是如果多个线程同时访问单例对象，可能会存在线程安全问题，所以要加锁。

线程不安全的懒汉方式实现的单例模式

class Singleton 
{
public:
    static Singleton* getInstance() 
    {
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
private:
    static Singleton* instance; // 静态成员变量指针，懒汉式，延迟创建实例
    Singleton() {} // 私有构造函数
    Singleton(const Singleton&) = delete; // 禁止拷贝构造
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; // 禁止赋值操作
};

// 在类外初始化静态成员变量指针
Singleton* Singleton::instance = nullptr;

使用局部静态变量来实现线程安全的懒汉式单例，因为局部静态变量的初始化在C++ 11中是线程安全的。

class Singleton 
{
public:
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance; // 局部静态变量，线程安全的懒汉式
        return instance;
    }
private:
    Singleton() {} // 私有构造函数
    Singleton(const Singleton&) = delete; // 禁止拷贝构造
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; // 禁止赋值操作
};

getInstance方法中的局部静态变量instance只会在第一次调用getInstance时被创建，之后的调用都会返回同一个实例，这种方式既实现了懒汉式的延迟加载，又保证了线程安全。

使用加锁的方式

class Singleton 
{
public:
    static Singleton* getInstance() 
    {
        if (instance == nullptr) {		// 双重判定空指针, 降低锁冲突的概率, 提高性能.
            pthread_mutex_lock(&mutex);	// 使用互斥锁, 保证多线程情况下也只调用一次 new.
            if (instance == nullptr) 
            	instance = new Singleton();
           	pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
        return instance;
    }
private:
    static Singleton* instance; // 静态成员变量指针，懒汉式，延迟创建实例
    static pthread_mutex_t mutex;		// 锁
    Singleton() {} // 私有构造函数
    Singleton(const Singleton&) = delete; // 禁止拷贝构造
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; // 禁止赋值操作
};

// 在类外初始化静态成员变量指针
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
pthread_mutex_t Singleton::mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

10.5 单例模式的线程池

#pragma once
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;
struct ThreadData
{
    pthread_t tid;
    string name;
};

// T表示任务的类型
template<class T>
class ThreadPool
{
public:
	// ...
    static ThreadPool* GetInstance()
    {   
        if(tp == nullptr) {
            pthread_mutex_lock(&lock);
            if(tp == nullptr) 
                tp = new ThreadPool<T>();
            pthread_mutex_unlock(&lock);
        }
        return tp;
    }
private:
    ThreadPool(size_t num = defaultNum) : _threads(num) 
    {
        pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr);
        pthread_cond_init(&_cond, nullptr);
    }

    ~ThreadPool()
    {
        pthread_mutex_destroy(&_mutex);
        pthread_cond_destroy(&_cond);
    }

    ThreadPool(const ThreadPool& tp) = delete;
    const ThreadPool operator=(const ThreadPool& tp) = delete;

    vector<ThreadData> _threads;
    queue<T> _tasks;    // 任务，这是临界资源
    pthread_mutex_t _mutex;
    pthread_cond_t _cond;

    static ThreadPool* tp;
    static pthread_mutex_t lock;
};
template<class T>
ThreadPool<T>* ThreadPool<T>::tp = nullptr;
template<class T>
pthread_mutex_t ThreadPool<T>::lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

11. STL和智能指针的线程安全 问题

11.1 STL中的容器是否是线程安全的?

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.

11.2 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.

12. 其他常见的各种锁

• 悲观锁（Pessimistic Locking）：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（Optimistic Locking）：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（Spinlock）：当一个线程尝试获取一个已经被其他线程持有的锁时，该线程不会立即进入等待状态（即不会释放CPU），而是在原地“自旋”，也就是不停地进行忙等待（busy-waiting），直到获取到锁。
  • 当一个线程尝试获取一个已经被占用的自旋锁时，它会在原地循环检查锁的状态，直到锁变为可用。
  • 自旋锁不会使线程进入睡眠状态，因此它是一种非阻塞的同步机制。
  • 由于线程不会进入睡眠状态，自旋锁避免了线程上下文切换的开销。
  • 由于自旋锁会导致CPU资源的占用，因此它更适合于那些预计会很快释放的锁。如果锁的持有时间较长，自旋锁可能会导致CPU资源的浪费。
  • 如果持有自旋锁的线程发生阻塞，那么等待该锁的线程可能会无限期地自旋下去，导致死锁。
  • 之前使用的都属于悲观锁，是否采用自旋锁取决于线程在临界资源会待多长时间。
• 公平锁（Fair Lock）是一种锁机制，它确保了线程获取锁的顺序与它们请求锁的顺序相同。换句话说，公平锁保证了“先来先服务”（FIFO，First-In-First-Out）的原则，即最先请求锁的线程将最先获得该锁。
• 非公平锁（Non-Fair Lock）是一种锁机制，它不保证线程获取锁的顺序与它们请求锁的顺序相同。这意味着当一个线程尝试获取一个非公平锁时，它可能会与已经等待该锁的其他线程竞争，而不管这些线程等待了多久。

13. 读者写者问题

13.1 概念

在编写多线程的时候，有一种情况是十分常见的。那就是，有些公共数据修改的机会比较少。相比较改写，它们读的机会反而高的多。通常而言，在读的过程中，往往伴随着查找的操作，中间耗时很长。给这种代码段加锁，会极大地降低我们程序的效率。那么有没有一种方法，可以专门处理这种多读少写的情况呢？ 有，那就是读写锁。

• 3种关系：
  • 写者 vs 写者 （互斥）
  • 读者 vs 写者 （互斥，同步）
  • 读者 vs 读者 （共享关系）这是和生产消费者模型的区别
• 2个角色：读者和写者
• 1个交易场所：数据交换的地点

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为什么读者写者问题中读者和读者关系是共享 而生产消费者模型中 消费者和消费者的关系是互斥呢？

因为读者并不会对数据做处理，只是对数据进行读操作。而消费者会对数据进行数据处理。

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一般来说，读者多，写者少。所以概率上讲读者更容易竞争到锁，写者可能会出现饥饿问题。
这是读者写者问题的特点。也可以更改这个现象，设置同步策略，让写者优先

• 读者优先：在这种策略下，如果读者和写者同时等待访问临界区，读者会被优先允许进入。这种策略可以减少写者的等待时间，因为读者通常持有锁的时间较短。然而，如果读者持续不断地访问数据，写者可能会遭遇饥饿，即长时间无法获得对数据的访问权。
• 写者优先：：在这种策略下，如果读者和写者同时等待访问临界区，写者会被优先允许进入。这种策略可以防止读者饥饿，因为写者一旦获得访问权，会阻止新的读者进入，直到写者完成写操作。但是，如果写者频繁地访问数据，读者可能会遭遇饥饿。

13.2 读写锁接口

// 初始化
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const pthread_rwlockattr_t* restrict attr);

// 销毁
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

// 加锁和解锁
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

13.3 读者优先的伪代码

int reader_count = 0;
mutex_t rlock, wlock;

// 读者加锁 && 解锁
lock(&rlock);
read_count++;
if(reader_count==1)	lock(&wlock);
unlock(&rlock);
// 读者进行读取
lock(&rlock);
reader_count--;
if(reader_count==0)	unlock(&wlock);
unlock(rlock);

// 写者加锁 && 解锁
lock(&wlock);
// 写者进行写入操作
unlock(&wlock)

1. 读者加锁：
   • 首先，读者尝试获取 rlock 锁，以安全地修改 reader_count 变量。
   • 获取 rlock 后，读者增加 reader_count 的值。
   • 如果这是第一个进入的读者（即 reader_count 从0变为1），则需要获取 wlock 锁，以阻止写者写入数据。这是因为一旦有读者在读取数据，写者就不应该修改数据，否则会影响读者读取的一致性。（读者优先！）
   • 完成 reader_count 的增加和可能的 wlock 获取后，读者释放 rlock 锁。
2. 读者解锁：
   • 读者完成读取操作后，再次获取 rlock 锁，以便安全地减少 reader_count 的值。
   • 如果这是最后一个离开的读者（即 reader_count 从1变为0），则需要释放 wlock 锁，允许写者进行写入操作。
   • 完成 reader_count 的减少和可能的 wlock 释放后，读者释放 rlock 锁。
3. 写者加锁：
   • 写者尝试获取 wlock 锁，以独占访问权进行写入操作。
   • 一旦获取 wlock 锁，写者可以安全地进行写入操作，因为此时没有读者在读取数据。
4. 写者解锁：
   • 写者完成写入操作后，释放 wlock 锁，允许其他读者或写者访问数据。