实现线程安全的单例模式

题目

实现线程安全的单例模式

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐

考点

单例模式,线程安全,类变量与类方法,懒加载

快速回答

实现线程安全的单例模式需要：

• 使用类变量存储唯一实例
• 通过类方法提供全局访问点
• 使用 Mutex 确保线程安全
• 实现懒加载（首次调用时初始化）
• 将 new 设为私有方法防止外部实例化

原理说明

单例模式确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。线程安全要求在多线程环境下：

• 防止多次实例化
• 避免返回未完全初始化的对象
• 保证状态一致性

Ruby 中需使用 Mutex 同步临界区（实例化代码），结合双重检查锁定优化性能。

代码示例

require 'thread'

class Configuration
  @@instance = nil
  @@mutex = Mutex.new

  # 类方法提供全局访问点
  def self.instance
    return @@instance if @@instance

    @@mutex.synchronize do
      # 双重检查锁定：进入同步块后再次检查
      @@instance ||= new
    end

    @@instance
  end

  # 私有化构造函数
  private_class_method :new

  # 实例方法示例
  def settings
    @settings ||= load_settings
  end

  private

  def load_settings
    # 模拟耗时操作
    sleep(0.1)
    { env: 'production', timeout: 30 }
  end
end

# 测试线程安全
threads = []
5.times do
  threads << Thread.new { Configuration.instance }
end
threads.each(&:join)
puts "实例ID: #{Configuration.instance.object_id}" # 所有线程输出相同ID

最佳实践

• 双重检查锁定：同步块外先检查实例，减少锁竞争
• 懒加载：首次调用时初始化，避免启动开销
• 私有构造函数：防止 new 直接创建实例
• 模块化：复杂场景可使用 Singleton 模块（标准库）

常见错误

• 缺少双重检查：@@mutex.synchronize { @@instance ||= new } 未在同步块外检查实例，导致每次访问都加锁
• 类变量未初始化：忘记设置 @@instance = nil
• 非原子操作：未用互斥锁包裹实例化过程
• 过早优化：在明确无并发场景下过度使用同步

扩展知识

• GIL 的影响：MRI Ruby 有全局解释器锁，但 I/O 操作期间会释放锁，仍需同步控制
• Singleton 模块：标准库简化实现（require 'singleton' + include Singleton）
• 依赖注入替代：单例可能增加耦合度，可考虑依赖注入容器
• 序列化问题：单例序列化/反序列化时需重写 _dump 和 _load 方法