单例模式与线程安全

目录

线程安全和重⼊问题

死锁和活锁

死锁

死锁四个必要条件

活锁

STL,智能指针和线程安全

线程安全的单例模式

饿汉模式

懒汉模式

懒汉模式实现单例模式(线程安全版本)

饿汉模式实现单例模式


我们来学习单例模式与线程安全

线程安全和重⼊问题

线程安全:就是多个线程在访问共享资源时,能够正确地执⾏,不会相互⼲扰或破坏彼此的执⾏结 果。⼀般⽽⾔,多个线程并发同⼀段只有局部变量的代码时,不会出现不同的结果。但是对全局变量 或者静态变量进⾏操作,并且没有锁保护的情况下,容易出现该问题。

重⼊:同⼀个函数被不同的执⾏流调⽤,当前⼀个流程还没有执⾏完,就有其他的执⾏流再次进⼊, 我们称之为重⼊。⼀个函数在重⼊的情况下,运⾏结果不会出现任何不同或者任何问题,则该函数被 称为可重⼊函数,否则,是不可重⼊函数。

学到现在,其实我们已经能理解重⼊其实可以分为两种情况 :多线程重⼊函数 和信号导致⼀个执⾏流重复进⼊函数

所以上面这些都可以不用看的,直接输出结论:

全局变量属于临界资源。

死锁和活锁

死锁

死锁是指在⼀组进程中的各个进程均占有不会释放的资源,但因互相申请被其他进程所站⽤不会 释放的资源⽽处于的⼀种永久等待状态。

死锁是指两个或多个线程因为相互等待对方释放资源,导致它们永远无法继续执行的状态。

就是多个线程申请多个未释放的锁,然后他们各自却持有这些锁(未解锁),导致都需要等待对方释放,比如A线程持有锁a,B线程持有锁b,那B今天来申请锁A,A申请锁b,这样A,B线程都需要各自等待对方释放才能申请成功,跟那个shared_ptr的循环引用无法释放一样的道理。

死锁 本质上就是多个线程交叉持有对方需要的资源,但又都不释放,导致所有线程都卡死在等待状态。

只有一个线程申请锁时也可能导致死锁的,自己重复申请自己上次没有释放的锁,怎么解决死锁问题,只能使用外部外部干预,要干预首先了解死锁四个必要条件。

死锁四个必要条件

互斥条件:⼀个资源每次只能被⼀个执⾏流使⽤,如果多个执行流可以访问同一个锁,怎么可能会死锁呢。破坏这个条件不太可能,违背锁的意愿。

请求与保持条件:⼀个执⾏流因请求资源⽽阻塞时,对已获得的资源保持不放。

不剥夺条件:⼀个执⾏流已获得的资源,在末使⽤完之前,不能强⾏剥夺,就是一个线程使用锁进入临界区访问具有原子性,还没访问完不能解锁。

循环等待条件:若⼲执⾏流之间形成⼀种头尾相接的循环等待资源的关系,导致死锁完全是在锁上等待导致的。打破这个简单呀,使用try_lock进行申请锁就可以了呀,锁不可用就返回false。

所以如何避免死锁就是破坏死锁的四个必要条件中的一个就可以了,破坏循环等待条件问题:资源⼀次性分配,使⽤超时机制、加锁顺序⼀致,也可以避免锁未释放的场景。

活锁

活锁是指多个线程不断地 相互让步,但因为策略问题,导致它们无法取得进展,活锁和死锁的区别就是线程不会一直等待一个没有解锁的锁,而是一直不断的申请,直至申请成功。相当于这些线程一直在申请结果没有成功,没有成功还一直在申请。

由于不停的申请锁会带来CPU的高占用,所以也是程序禁止的一种情况。

STL,智能指针和线程安全

STL中的容器不一定都是线程安全的,大部分函数都不支持重入所以都是线程不安全的,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。

智能指针是线程安全的,所以我们才愿意将一个线程交给他管理,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。

但是智能指针指向的对象不一定是线程安全的,只是智能指针的操作的线程安全的。

线程安全的单例模式

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。

单例模式主要分为饿汉模式和懒汉模式。要实现单例那这两种模式都是禁止拷贝的,而且初始化函数必须放为私有,不让外部直接通过构造函数访问。

饿汉模式

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。也就是饿汉模式里面肯定已经创建出了一个静态的对象,等你要调用的时候,通过一个static函数返回,保证返回函数,和创建的静态变量在类中只有一份,防止拷贝。

懒汉模式

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,就是需要时才创建对象的机制,属于延迟创建/加载,同样也只有一个对象,所以new出来的对象需要装在一个static指针里面,而这个指针是类里面已经创建好的。

反正需要时才调用getinstance创建,然后返回。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,此时inst就不是空了,不能创建对象了。

懒汉模式实现单例模式(线程安全版本)

cpp 复制代码
#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;
#include<memory>
#include<unistd.h>
#include<vector>
#include<string>
#include<queue>
#include<functional> //
#include"pthread.hpp"
#include"mutex.hpp"
#include"cond.hpp"
#include"log.hpp"


namespace threadpoolmodule
{
    using namespace lockmodule;
    using namespace threadmodule;
    using namespace condmodule;
    using namespace logmodule;
    
    using thread_t = shared_ptr<thread>;
    
    //用来做测试的线程方法
    void defaulttest()
    {
        while (true)
        {
            LOG(loglevel::DEBUG) << "我是一个测试方法";
            sleep(1);
        }
    }

    const static int defaultnum = 5;
    template<class T>
    class threadpool
    {
    private:
        bool isempty()
        {
            return _taskq.empty();
        }

        void HandleTask(string name)
        {
            LOG(loglevel::INFO) << "线程进入HandleTask的逻辑\n";
            while (true)
            {
                T t;
                {
                    lockguard lockguard(mut);
                    // 1.拿任务
                    while (isempty() && _isrunning)
                    {
                        _wait_num++;
                        _cond.wait(mut);
                        _wait_num--;
                    }

                    if (isempty() && !_isrunning)
                    {
                        break;
                    }

                    t = _taskq.front();
                    _taskq.pop();
                }


                //2 处理任务
                t(name); //规定,未来所有的任务处理都是必须提供()直接调用的方法
            }
            LOG(loglevel::INFO) << "线程:" << name << "退出";
        }
    private:
    threadpool()
        : _num(defaultnum)
        , _wait_num(0)
        ,_isrunning(false)
    {
        for (int i = 0; i < _num; i++)
        {
            //
            _threads.push_back(make_shared<thread>(bind(&threadpool::HandleTask, this, placeholders::_1)));
            LOG(loglevel::INFO) << "构键线程" << _threads.back()->getname() << "对象 。。。成功";
        }
    }

    public:
    threadpool<T>& operator=(const threadpool<T>&) = delete; //使用operator=的赋值拷贝不能用了
    threadpool(const threadpool<T>&) = delete;  //赋值拷贝不能用了
    static threadpool<T>* getinstance()
    {
        LOG(loglevel::INFO) << "单例首次被执行,需要加载对象...";
        if (instance == nullptr)
        {
            instance = new threadpool<T>();
        }
        return instance;
    }
    void start()
    {
        if (_isrunning)
        {
            return;
        }
        _isrunning = true;
        for (auto& thread_ptr : _threads)
        {
            thread_ptr->start();
            LOG(loglevel::INFO) << "启动线程" << thread_ptr->getname() << "。。。成功";
        }
    }

    void equeue(T in)
    {
        lockguard lockguard(mut);
        if (!_isrunning)
        {
            return;
        }
        _taskq.push(move(in));
        if ( _wait_num)
        {
            _cond.notify();
        }
    }

    void stop()
    {
        //让里面的线程都重新自己退出
        //退出之前需要将所有的任务都处理完,所以需要一次性唤醒所有在等待的线程
        if (_isrunning)
        {
            _isrunning = false;
            if (_wait_num)
            {
                _cond.notifyall();
            }
        }
    }
    
    void join()
    {
        for (auto& thread_ptr : _threads)
        {
            thread_ptr->join();
            LOG(loglevel::INFO) << "停止线程" << thread_ptr->getname() << "。。。成功";
        }
    }

    ~threadpool()
    {}
    private:
        vector<thread_t> _threads;  //线程池中的线程初始个数在数组里面
        int _num;   //线程池的容量
        queue<T> _taskq;  //线程池中的任务队列
        mutex mut;
        cond _cond;
        int _wait_num; //等待队列线程
        bool _isrunning;
        static threadpool<T>* instance;
    };

    template<class T>
    threadpool<T>* threadpool<T>::instance = nullptr; //在外面初始化, 私有的static成员可以在类外初始化
};

instance必须放私有,这样比较安全。

懒汉模型这种延迟生成,按需生成的技术在操作系统内核用的还是比较多的,像什么写时拷贝,malloc创建空间,物理地址的映射都是。

"不到万不得已,绝不提前分配",这种按需分配的策略在操作系统内核中极为常见,既能提升性能,又能节省资源。

但是外面的getinstance方法还没有加锁保护,所以需要多增加一个锁进行保护。进入函数的时候立即加锁,加锁前需要先判断是否满足instance是空的,不然白加锁了,为什么使用双重判断呢,外层是为了防止白加锁,内层是为了防止加锁失败或者其他原因导致多个线程进来从而导致instance被赋值两次。

静态成员函数不能直接访问类的非静态成员变量,所以这个锁也应该是静态的才可以被访问到。

cpp 复制代码
private:
        vector<thread_t> _threads;  //线程池中的线程初始个数在数组里面
        int _num;   //线程池的容量
        queue<T> _taskq;  //线程池中的任务队列
        mutex mut;
        static mutex _lock;
        cond _cond;
        int _wait_num; //等待队列线程
        bool _isrunning;
        static threadpool<T>* instance;
    };

    template<class T>
    threadpool<T>* threadpool<T>::instance = nullptr; //在外面初始化, 私有的static成员可以在类外初始化

    template<class T>
    mutex threadpool<T>::_lock;

饿汉模式实现单例模式

cpp 复制代码
#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;
#include<memory>
#include<unistd.h>
#include<vector>
#include<string>
#include<queue>
#include<functional> //
#include"pthread.hpp"
#include"mutex.hpp"
#include"cond.hpp"
#include"log.hpp"


namespace threadpoolmodule
{
    using namespace lockmodule;
    using namespace threadmodule;
    using namespace condmodule;
    using namespace logmodule;
    
    using thread_t = shared_ptr<thread>;
    
    //用来做测试的线程方法
    void defaulttest()
    {
        while (true)
        {
            LOG(loglevel::DEBUG) << "我是一个测试方法";
            sleep(1);
        }
    }

    const static int defaultnum = 5;
    template<class T>
    class threadpool
    {
    private:
        bool isempty()
        {
            return _taskq.empty();
        }

        void HandleTask(string name)
        {
            LOG(loglevel::INFO) << "线程进入HandleTask的逻辑\n";
            while (true)
            {
                T t;
                {
                    lockguard lockguard(mut);
                    // 1.拿任务
                    while (isempty() && _isrunning)
                    {
                        _wait_num++;
                        _cond.wait(mut);
                        _wait_num--;
                    }

                    if (isempty() && !_isrunning)
                    {
                        break;
                    }

                    t = _taskq.front();
                    _taskq.pop();
                }


                //2 处理任务
                t(name); //规定,未来所有的任务处理都是必须提供()直接调用的方法
            }
            LOG(loglevel::INFO) << "线程:" << name << "退出";
        }
    private:
    threadpool()
        : _num(defaultnum)
        , _wait_num(0)
        ,_isrunning(false)
    {
        for (int i = 0; i < _num; i++)
        {
            //
            _threads.push_back(make_shared<thread>(bind(&threadpool::HandleTask, this, placeholders::_1)));
            LOG(loglevel::INFO) << "构键线程" << _threads.back()->getname() << "对象 。。。成功";
        }
    }

    public:
    threadpool<T>& operator=(const threadpool<T>&) = delete; //使用operator=的赋值拷贝不能用了
    threadpool(const threadpool<T>&) = delete;  //赋值拷贝不能用了
    static threadpool<T>* getinstance()
    {
        LOG(loglevel::INFO) << "单例首次被执行,需要加载对象...";
        return &instance;
    }
    void start()
    {
        if (_isrunning)
        {
            return;
        }
        _isrunning = true;
        for (auto& thread_ptr : _threads)
        {
            thread_ptr->start();
            LOG(loglevel::INFO) << "启动线程" << thread_ptr->getname() << "。。。成功";
        }
    }

    void equeue(T in)
    {
        lockguard lockguard(mut);
        if (!_isrunning)
        {
            return;
        }
        _taskq.push(move(in));
        if ( _wait_num)
        {
            _cond.notify();
        }
    }

    void stop()
    {
        //让里面的线程都重新自己退出
        //退出之前需要将所有的任务都处理完,所以需要一次性唤醒所有在等待的线程
        if (_isrunning)
        {
            _isrunning = false;
            if (_wait_num)
            {
                _cond.notifyall();
            }
        }
    }
    
    void join()
    {
        for (auto& thread_ptr : _threads)
        {
            thread_ptr->join();
            LOG(loglevel::INFO) << "停止线程" << thread_ptr->getname() << "。。。成功";
        }
    }

    ~threadpool()
    {}
    private:
        vector<thread_t> _threads;  //线程池中的线程初始个数在数组里面
        int _num;   //线程池的容量
        queue<T> _taskq;  //线程池中的任务队列
        mutex mut;
        cond _cond;
        int _wait_num; //等待队列线程
        bool _isrunning;
        static threadpool<T> instance;
    };

    template<class T>
    threadpool<T> threadpool<T>::instance; //在外面初始化, 私有的static成员可以在类外初始化
};

这个实现起来差不多呀,而且完全没有线程安全问题,因为就一个对象。

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