一、線程安全的單例模式

什么是單例模式

單例模式是一種“經(jīng)典的，常用的，常考的”設(shè)計(jì)模式

什么是設(shè)計(jì)模式

IT行業(yè)這么火，涌入的人很多.俗話說林子大了啥鳥都有。大佬和菜雞們兩極分化的越來越嚴(yán)重，為了讓菜雞們不太拖大佬的后腿，于是大佬們針對一些經(jīng)典的常見的場景，給定了一些對應(yīng)的解決方案，這個就是 設(shè)計(jì)模式

單例模式的特點(diǎn)

某些類，只應(yīng)該具有一個對象（實(shí)例），就稱之為單例

例如一個男人只能有一個媳婦

在很多服務(wù)器開發(fā)場景中，經(jīng)常需要讓服務(wù)器加載很多的數(shù)據(jù)（上百G）到內(nèi)存中，此時往往要用一個單例的類來管理這些數(shù)據(jù)

餓漢實(shí)現(xiàn)方式和懶漢實(shí)現(xiàn)方式

【洗碗的例子】

吃完飯，立刻洗碗，這種就是餓漢方式．因?yàn)橄乱活D吃的時候可以立刻拿著碗就能
吃完飯，先把碗放下，然后下一頓飯用到這個碗了再洗碗，就是懶漢方式?

懶漢方式最核心的思想是“延時加載”，從而能夠優(yōu)化服務(wù)器的啟動速度

餓漢方式實(shí)現(xiàn)單例模式

懶漢方式實(shí)現(xiàn)單例模式

存在一個嚴(yán)重的問題，線程不安全

第一次調(diào)用 GetInstance的時候，如果兩個線程同時調(diào)用，可能會創(chuàng)建出兩份T對象的實(shí)例

但是后續(xù)再次調(diào)用，就沒有問題了

懶漢方式實(shí)現(xiàn)單例模式(線程安全版本)

// 懶漢模式, 線程安全
template <typename T>
class Singleton {volatile static T* inst; // 需要設(shè)置 volatile 關(guān)鍵字, 否則可能被編譯器優(yōu)化.static std::mutex lock;
public:static T* GetInstance() {if (inst == NULL) { // 雙重判定空指針, 降低鎖沖突的概率, 提高性能.lock.lock(); // 使用互斥鎖, 保證多線程情況下也只調(diào)用一次 new.if (inst == NULL) {inst = new T();}lock.unlock();
}return inst;}
};

注意事項(xiàng):

1. 加鎖解鎖的位置

2. 雙重 if 判定, 避免不必要的鎖競爭

3. volatile關(guān)鍵字防止過度優(yōu)化

二、STL，智能指針和線程安全

STL 中的容器是否是線程安全的？

不是. 原因是，STL的設(shè)計(jì)初衷是將性能挖掘到極致，而一旦涉及到加鎖保證線程安全，會對性能造成巨大的影響. 而且對于不同的容器，加鎖方式的不同，性能可能也不同（例如hash 表的鎖表和鎖桶）.因此 STL 默認(rèn)不是線程安全.如果需要在多線程環(huán)境下使用，往往需要調(diào)用者自行保證線程安全.

智能指針是否是線程安全的？

對于 unique_ptr，由于只是在當(dāng)前代碼塊范圍內(nèi)生效，因此不涉及線程安全問題.

對于 shared_ptr，多個對象需要共用一個引用計(jì)數(shù)變量，所以會存在線程安全問題.但是標(biāo)準(zhǔn)庫實(shí)現(xiàn)的時候考慮到了這個問題，基于原子操作（CAS）的方式保證 shared_ptr 能夠高效，原子的操作引用計(jì)數(shù).

★ps：智能指針不等于智能指針對象，所以在應(yīng)用中該加鎖加鎖

三、可重入 VS 線程安全

概念

• 線程安全

多個線程并發(fā)同一段代碼時，不會出現(xiàn)不同的結(jié)果。常見對全局變量或者靜態(tài)變量進(jìn)行操作，并且沒有鎖保護(hù)的情況下，會出現(xiàn)該問題

• 重入

同一個函數(shù)被不同的執(zhí)行流調(diào)用，當(dāng)前一個流程還沒有執(zhí)行完，就有其它的執(zhí)行流再次進(jìn)入，我們稱之為重入。一個函數(shù)在重入的情況下，運(yùn)行結(jié)果不會出現(xiàn)任何不同或者任何問題，則該函數(shù)被稱為可重入函數(shù)，否則，是不可重入函數(shù)

★ps：可重入不可重入函數(shù)表示能不能被多個執(zhí)行流同時進(jìn)入

★ps：線程安全表示多線程并發(fā)執(zhí)行一段代碼會不會出錯

常見的線程不安全的情況

? 不保護(hù)共享變量的函數(shù)

? 函數(shù)狀態(tài)隨著被調(diào)用，狀態(tài)發(fā)生變化的函數(shù)

? 返回指向靜態(tài)變量指針的函數(shù)

? 調(diào)用線程不安全函數(shù)的函數(shù)

常見的線程安全的情況

? 每個線程對全局變量或者靜態(tài)變量只有讀取的權(quán)限，而沒有寫入的權(quán)限，一般來說這些線程是安全的

? 類或者接口對于線程來說都是原子操作

? 多個線程之間的切換不會導(dǎo)致該接口的執(zhí)行結(jié)果存在二義性

常見不可重入的情況

? 調(diào)用了 malloc/free 函數(shù)，因?yàn)?malloc 函數(shù)是用全局鏈表來管理堆的

? 調(diào)用了標(biāo)準(zhǔn)I/O庫函數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)I/O庫的很多實(shí)現(xiàn)都以不可重入的方式使用全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

? 可重入函數(shù)體內(nèi)使用了靜態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

常見可重入的情況

? 不使用全局變量或者靜態(tài)變量

? 不使用malloc 或者 new 開辟出的空間

? 不調(diào)用不可重入函數(shù)

? 不返回靜態(tài)或全局?jǐn)?shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)都有函數(shù)的調(diào)用者提供

? 使用本地?cái)?shù)據(jù)，或者通過制作全局?jǐn)?shù)據(jù)的本地拷貝來保護(hù)全局?jǐn)?shù)據(jù)

可重入與線程安全聯(lián)系

? 函數(shù)是可重入的，那線程就是安全的

? 函數(shù)是不可重入的，那就不能由多個線程使用，有可能引發(fā)線程安全問題

? 如果一個函數(shù)中有全局變量，那么這個函數(shù)既不是線程安全也不是可重入的

可重入與線程安全的區(qū)別

? 可重入函數(shù)是線程安全函數(shù)的一種

? 線程安全不一定是可重入的，而可重入函數(shù)則一定是安全的

? 如果將對臨界資源的訪問加上鎖，則這個函數(shù)是線程安全的，但如果這個重入函數(shù)若鎖還未釋放則會產(chǎn)生死鎖，因此是不可重入的

四、死鎖

概念

死鎖是指在一組進(jìn)程中的各個進(jìn)程均占有不會釋放的資源，但因互相申請被其他進(jìn)程所站用 不會釋放的資源而處于的一種永久等待狀態(tài)。

死鎖的四個必要條件

? 互斥條件：一個資源每次只能被一個執(zhí)行流使用 ? 請求與保持條件：一個執(zhí)行流因請求資源而阻塞時，對已獲得的資源保持不放 ? 不剝奪條件：一個執(zhí)行流已獲得的資源，在末使用完之前，不能強(qiáng)行剝奪 ? 循環(huán)等待條件：若干執(zhí)行流之間形成一種頭尾相接的循環(huán)等待資源的關(guān)系

避免死鎖

? 破壞死鎖的四個必要條件

? 加鎖順序一致

? 避免鎖未釋放的場景

? 資源一次性分配

避免死鎖的算法

死鎖檢測算法

銀行家算法