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多线程编程：从日志到单例模式全解析

news 2025/11/10 10:23:35

一：日志与策略模式

二：线程池设计

三：线程安全和重入问题

四：线程安全的单例模式

4.1单例模式的特点

4.2饿汉实现方式和懒汉实现方式

4.3饿汉方式实现单例模式

4.4懒汉方式实现单例模式

4.5懒汉方式实现单例模式(线程安全版本)

4.6单例线程池的实现

五：常见锁概念

5.1死锁

5.2死锁四个必要条件

六：STL,智能指针和线程安全

一：日志与策略模式

对一些经典的常见的场景,给定了一些对应的解决方案,这个就是设计模式

日志认识：计算机中的日志是记录系统和软件运行中发生事件的文件，主要作用是监控运行状态、记录异常信息，帮助快速定位问题并支持程序员进行问题修复。它是系统维护、故障排查和安全管理的重要工具。

日志格式以下几个指标是必须得有的：时间戳，日志等级，日志内容

以下几个指标是可选的：文件名行号，进程，线程相关id信息等

日志有现成的解决方案，如：spdlog、glog、Boost.Log、Log4cxx等等

二：线程池设计

线程池：一种线程使用模式。线程过多会带来调度开销，进而影响缓存局部性和整体性能。而线程池维护着多个线程，等待着监督管理者分配可并发执行的任务。这避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价。线程池不仅能够保证内核的充分利用，还能防止过分调度。可用线程数量应该取决于可用的并发处理器、处理器内核、内存、网络sockets等的数量。

线程池的应用场景：

1.需要大量的线程来完成任务，且完成任务的时间比较短。比如WEB服务器完成网页请求这样的任务，使用线程池技术是非常合适的。因为单个任务小，而任务数量巨大，你可以想象⼀个热门网站的点击次数。但对于长时间的任务，比如⼀个Telnet连接请求，线程池的优点就不明显了。因为Telnet会话时间比线程的创建时间大多了。

2.对性能要求苛刻的应用，比如要求服务器迅速响应客户请求。

3.接受突发性的大量请求，但不至于使服务器因此产生大量线程的应用。突发性大量客户请求，在没有线程池情况下，将产生大量线程，虽然理论上大部分操作系统线程数目最大值不是问题，短时间内产生大量线程可能使内存到达极限，出现错误

线程池的种类

a. 创建固定数量线程池，循环从任务队列中获取任务对象，获取到任务对象后，执行任务对象中的任务接口

b. 浮动线程池，其他同上

三：线程安全和重入问题

概念：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。

重入其实可以分为两种情况：多线程重入函数信号导致⼀个执行流重复进入函数

常见的线程不安全的情况 ：1. 不保护共享变量的函数 2. 函数状态随着被调用，状态发生变化的函数 3.返回指向静态变量指针的函数 4.调用线程不安全函数的函数

常见的线程安全的情况：1.每个线程对全局变量或者静态变量只有读取的权限，而没有写入的权限，一般来说这些线程是安全的 2.类或者接口对于线程来说都是原子操作 3.多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性

常见不可重入的情况 ：1.调用了malloc/free函数，因为malloc函数是用全局链表来管理堆的 2. 调用了标准I/O库函数，标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构 3.可重入函数体内使用了静态的数据结构

常见的可重入的情况 ：1.不使用全局变量或静态变量 2.不使用 malloc或者new开辟出的空间3.不调用不可重入函数 4. 不返回静态或全局数据，所有数据都有函数的调用者提供 5.使用本地数据，或者通过制作全局数据的本地拷贝来保护全局数据

可重入与线程安全联系：

函数是可重入的，那就是线程安全的(其实知道这⼀句话就够了)

函数是不可重入的，那就不能由多个线程使用，有可能引发线程安全问题

如果⼀个函数中有全局变量，那么这个函数既不是线程安全也不是可重入的。

可重入与线程安全区别

可重入函数是线程安全函数的⼀种

线程安全不一定是可重入的，而可重入函数则⼀定是线程安全的。

如果将对临界资源的访问加上锁，则这个函数是线程安全的，但如果这个重入函数若锁还未释放则会产生死锁，因此是不可重入的。

如果不考虑信号导致一个执行流重复进⼊函数这种重入情况，线程安全和重入在安全角度不做区分

但是线程安全侧重说明线程访问公共资源的安全情况，表现的是并发线程的特点

可重入描述的是一个函数是否能被重复进入，表示的是函数的特点

四：线程安全的单例模式

4.1单例模式的特点

某些类,只应该具有一个对象(实例),就称之为单例。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。

4.2饿汉实现方式和懒汉实现方式

洗碗的例子：

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

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

懒汉方式最核心的思想是"延时加载".从而能够优化服务器的启动速度。

4.3饿汉方式实现单例模式

template <typename T>
class Singleton {static T data;
public:static T* GetInstance() {return &data;}
};

每次使用的时候，都会立刻创建一个对象，不管后面是否使用这个对象

4.4懒汉方式实现单例模式

template <typename T>
class Singleton
{static T *inst;public:static T *GetInstance(){if (inst == NULL){inst = new T();}return inst;}
};

每次实现创建一个结构体指针，指向对象为空，只有开始使用这个结构体里面的函数时，才创建一个对象，而且之后再调用结构体函数时，不会再创建新的对象，一直使用这一个对象。

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.

4.5懒汉方式实现单例模式(线程安全版本)

// 懒汉模式, 线程安全
template <typename T>
class Singleton
{volatile static T *inst; // 需要设置 volatile 关键字, 否则可能被编译器优化.static std::mutex lock;public:static T *GetInstance(){if (inst == NULL){                // 双重判定空指针, 降低锁冲突的概率, 提⾼性能.lock.lock(); // 使⽤互斥锁, 保证多线程情况下也只调⽤⼀次 new.if (inst == NULL){inst = new T();}lock.unlock();}return inst;}
};

注意事项:1. 加锁解锁的位置 2. 双重 if 判定,避免不必要的锁竞争 3. volatile关键字防止过度优化