关于C++ 静态成员对象的一段小故事

关于C++ 静态成员对象的一段小故事
  -- 20130322 静态对象做单例的危险

• 微博吐槽

（引用）近几天遇到一工作问题令我困惑不已，且又不是我所熟悉过的，直观体验完全感觉不出问题存在，但从大量测试统计能微微发现问题确实是存在的。诸多排除法之后还是觉得无从下手，甚至有违常理的感觉...一遍一遍review代码是件痛苦事情，最后靠着一点点改动希望接近问题所在，再得以解决。 附图：

btw. 吐槽不是重点，重点的是作为经验告诫提醒自己或他人。还有，吐槽了让我明天继续满血（激情动力）查问题。

• 故事细节

今天，Review代码时发现一个比较重要线索，线索不是最终问题（即下载速度变慢）但也是问题是程序存在的漏洞，但是很可能两者关系紧密。要知道在查“莫名”问题的整个过程是相当枯燥乏味的，还得顶着上面人的催赶压力，所以发现一丝可疑线索是足够令人兴奋起来的，何况该线索又是看似比较重要。发现了线索、解决问题并验证、提交测试验证跑速度对比，这个过程是轻快的，之后就等测试对比结果。由于晚上十点钟才提交开始部署测试，只能等到明早上班时间才能出结果。所以，先不管了安心回家睡觉，静待明日结果，如上图。

线索（问题）描述：DLL模块存在两个单例对象，都是数据量比较大的类型，这两个单例对象都是以全局的static静态对象存在的。所以，只要DLL被LoadLibrary加载起来了，即使什么事情也不做，这两个静态对象也被生成了（包括构造函数做的具体操作也统统被执行到了），直至DLL被FreeLibrary卸载掉它们才会被析构的。具体情况详见如下示例。

• 示例说明

 class A {

private:

   A() {

     ... ...

   }

   static A _s_a;

 public:

   static A* get_instance() {

     return &_s_a;

   }

   void do_work() {

   }

 }

 int main() {

  A *a = A::get_instance();

  a->do_work();

  ... ...

 }

> 问题在哪里？

 当程序还未执行到main()的A *a = A::get_instance();这行代码，对象_s_a已经被构造出来了，构造函数A()的逻辑也被执行了。

 当程序逻辑出现比较多这样的类型的静态成员对象，而且之间存在依赖关系的话，程序很可能在启动时候出现莫名其妙的问题。

• 安全的单例

> 更好的单例解决方案是什么？

*** 简单的单例模板：

template < class _Type >

class singleton

{

public:

    static _Type* get_instance()

    {

        // 通过观察汇编代码，static 变量初始化在多线程下并不安全，

        // 多个线程同时首次调用 get_instance，可能导致 instance 被初始化多次

        // 所以，强烈建议在进入程序时显式调用一次 get_instance。

        static _Type instance;

        return &instance;

    }

}

推荐在进入程序时，显式调用一下 get_instance

线程安全，dll 被 Load 多次时安全

singleton 的缺点是，对象只在程序退出时被析构，

所以无法控制它的析构时机，不安全！

*** 扩展的单例模板：

template < class _Type >

class singleton_ex {

public:

    static void create_instance();

    static _Type* get_instance();

    static void destroy_instance();

};

安全性最高，但是需注意其特殊用法，要求：

在进入程序时，必须调用 create_instance

在退出程序时，必须调用 destroy_instance

线程安全，即使dll 被 Load 多次时也是安全的。

只给出单例声明的模板，对于具体的实现细节在此不必给出，请自行YY脑补。另，强烈推荐在create_instance用从堆数据动态分配内存并构造（即new操作）单例对象。

（引用）singleton与singleton_ex的对比：

一般简单的单子,可以考虑使用 singleton

但是正因为它简单,所以忽略了一个问题,那就是多个单子类的析构顺序问题

如果多个单子的首次 get_instance 调用顺序是不确定的，那么它们的析构

顺序同样也是不确的。如果多个类的析构互相依赖，那么就肯定会存在问题。

所以，当有多个互相依赖的单子时，有两个解决方案：

1.使用 singleton_ex，进入程序时，按照期望的顺序调用 create_instance，

  在退出程序时，按照相反的顺序调用 destroy_instance。

2.使用 singleton，进入程序时，按照期望的顺序调用 get_instance，这样可以

  保证在 dll 被卸载时，多个单子按照与构造相反的顺序被析构。

所谓的“进入程序”，在 Dll 中，就意味着 DllMain 函数中的 DLL_PROCESS_ATTACH 分支

所谓的“退出程序”，在 Dll 中，就意味着 DllMain 函数中的 DLL_PROCESS_DETACH 分支

所谓的“dll 被 Load 多次”：dll 中的单子会面临一个问题，例如某个进程中，dll 被多

个模块分别 LoadLibrary 多次。因为单子的实质是 static 变量，故在整个进程中只有一个，

这可能是设计者期望的，也可能是设计者不期望的，所以必须要注意。

singleton_ex 中的 create_instance 和 destroy_instance 就设计了 _ref() 来处理被

多个模块多次调用。当然，singleton 不存在该问题。

>>>>> 对于更加牛逼的单例实现方案，参见Loki库的Singleton。还有，可参考我之前的另一篇关于单例的文章“单例安全性”。

（完）