C++并发编程中static变量的问题

2023年4月17日 552次阅读

在C++中，static表示的是“静态初始化”，由其声明的变量因此也叫作“静态变量”，他们从完成初始化后就一直存在于程序运行空间中（确切地说位于静态变量区），直至程序退出或销毁。

如果按照变量的作用域来划分，静态变量可以分为3类：

  1. global variable，即全局变量
  2. static variable with file scope
  3. static variable with block scope

前两种不必多说，重点说一下第三种里的“block scope”，它可以表示类内部、函数内部，或者仅仅是由“{}”包括起来的一个code block。

同时，按照静态变量初始化的时机，初始化过程可分为：编译时初始化和加载（运行）时初始化，前者主要发生在静态常量的编译过程中，如程序中“static int a = 3”因为此处3为常量，编译时就能确定，因此这里就发生的是编译时初始化，反之，如果不是编译时初始化，那就必定进行的是加载时初始化。

static变量经常被用来实现单例模式。在设计模式中，单例模式广为人知，即使没有系统学习过设计模式的人很可能也对单例模式不会陌生。设计实现一个单例模式并非难事，但在多线程并发环境下这个问题就貌似不那么简单了。
通常来说，一个单例模式的类中都包含一个指向static类实例的指针，并提供一个公共接口返回这个指针以实现对这个实例的调用。因为在程序整个执行周期中，static变量只加载一次，保证了“仅此一个”的事实，如下代码所示：

#1    class A {
#2    public:
#3        static A* getInstance() {
#4            if (instance_ == NULL) 
#5                instance_ = new A();
#6            return instance_;
#7        }
#8    private:
#9        static A* instance_;
#10    }
#11    //static变量在类外定义
#12    A* A::instance_ = NULL;

如上代码就实现了一个简单的C++单例模式。在单线程程序中，这个单例类没有任何问题，但是在多线程环境下，很容易就能发现方法getInstance中存在race condition，如果线程A运行到了#4，此时instance_为NULL，这时线程B也运行到了这里，instance_此时还未进行构造，它的值还是NULL，那么接下来两个线程将分别执行new A()的操作，本为单例的类实际上并非单例。为了克服这个race condition，人们尝试用加锁、双阶段加锁等方法来解决它，虽然可以实现线程安全性，但毕竟增加了代码量以及复杂性，性能也受到了一定的影响。因此又有了另一种方法来实现单例类，如下代码所示：

#1    class A {
#2    public:
#3        static A* getInstance() {
#4            static A instance_;
#5            return &instance_;
#6        }
#7    }

根据static的语义，其只在程序对类A加载时进行一次初始化，全局只有这一个实例。看起来很美好，而且代码更少了。但是这实际上是不对的，对于在编译时进行初始化的static变量，它一定是线程安全的，但是对于这种加载时进行初始化的变量，编译器生成的代码实际上类似这样：

static bool initialized = false;
static A instance_;
if (initialized == false) {
    initialized = true;
    instance_ = A();
}
return &instance_;

看到了吗？实际上还是会有race condition。那么如何在不加锁、不引入复杂设计的情况下实现单例模式呢？
还是要感谢C++的发展，上述代码是在C++11以前的标准中得到的，而在C++11标准中，static的语义实际上已经是线程安全的了。引用C++11标准中的内容：

If control enters the declaration concurrently while the variable is being initialized,the concurrent execution shall wait for completion of the initialization.

在网站cppreference中，也有类似的描述：

If multiple threads attempt to initialize the same static local variable concurrently,the initialization occurs exactly once(since c++11)

因此，我认为在C++11中，以上代码是可以实现一个线程安全的单例类的。

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