为什么这个 C++ 静态单例永远不会停止？

Question

我已经在 C++ 中实现了一个单例（静态版本）。我知道关于这种模式和潜在线程安全问题的所有争议，但我很好奇为什么这个确切的实现不会停止。程序从不退出，最后一直处于死锁状态。

singleton.h：

#pragma once
#include <thread>
#include <atomic>

class Singleton
{
public:
    static Singleton& getInstance();

private:
    std::thread mThread;
    std::atomic_bool mRun;

    Singleton();
    ~Singleton();
    void threadFoo();
};

单例.cpp

#include "singleton.h"

Singleton& Singleton::getInstance()
{
    static Singleton instance;
    return instance;
} 

Singleton::Singleton()
{
    mRun.store(true);
    mThread = std::thread(&Singleton::threadFoo, this);
}

Singleton::~Singleton()
{
    mRun.store(false);

    if(mThread.joinable())
        mThread.join();
}

void Singleton::threadFoo()
{
    while(mRun)
    {
    }
}

main.cpp

#include "singleton.h"

int main()
{
    Singleton::getInstance();
    return 0;
}

我已经知道的：

• 线程终止
• 主线程卡在join中
• 它与静态有关，如果我公开构造函数并在 main() 中创建 Singleton 实例，它将正确终止。

使用 Visual Studio 2012。感谢您的建议。

Answer 1

在主线程上，main() 终止后，CRT 获取退出锁并调用您的静态实例析构函数，该析构函数等待您的后台线程退出。

在后台线程上，在您的线程函数终止后，CRT 会尝试获取退出锁以执行一些线程终止工作。这将永远阻塞，因为退出锁由等待 this 线程退出的主线程持有。

这是一个由 CRT 实现引起的简单死锁。底线是您不能在 Windows 上的静态实例析构函数中等待线程终止。

Answer 2

我已将其追溯到mlock.c 内的void __cdecl _lock(int locknum)。当main() 结束时，主线程去那里并进入临界区EnterCriticalSection( _locktable[locknum].lock );。然后调用 Singleton 析构函数，另一个线程尝试进入相同的临界区，但不能，因此它开始等待主线程离开临界区。反过来，主线程等待另一个线程。所以我猜这是一个错误。

Answer 3

参见标准中的 [basic.start.term]：

如果有一个标准库对象或函数的使用不是 在以前不会发生的信号处理程序（18.10）中允许 (1.10) 用静态存储完成对象的销毁 std::atexit 注册函数 (18.5) 的持续时间和执行， 程序具有未定义的行为。 [注：如果有使用对象 静态存储持续时间不会发生在对象之前 破坏，程序具有未定义的行为。终止每个 在调用 std::exit 或从 main 退出之前的线程就足够了， 但不是必需的，以满足这些要求。这些要求 允许线程管理器作为静态存储持续时间对象。 ——尾注]

Answer 4

好的，谢谢大家的提示。显然，这种模式实现会导致 VC++ 出现死锁。

在做了一些进一步的研究后，我发现了这个基于 C++11 机制的实现，它在 VC++ 中运行。

singleton.h

#pragma once
#include <thread>
#include <atomic>
#include <memory>
#include <mutex>


class Singleton
{
public:
    static Singleton& getInstance();
    virtual ~Singleton();

private:
    static std::unique_ptr<Singleton> mInstance;
    static std::once_flag mOnceFlag;
    std::thread mThread;
    std::atomic_bool mRun;

    Singleton();

    void threadFoo();
};

单例.cpp

#include "singleton.h"

std::unique_ptr<Singleton> Singleton::mInstance = nullptr;
std::once_flag Singleton::mOnceFlag;


Singleton& Singleton::getInstance()
{
    std::call_once(mOnceFlag, [] { mInstance.reset(new Singleton); });
    return *mInstance.get();
}


Singleton::Singleton()
{
    mRun.store(true);
    mThread = std::thread(&Singleton::threadFoo, this);
}

Singleton::~Singleton()
{ 
    mRun.store(false);

    if(mThread.joinable())
        mThread.join();
}

void Singleton::threadFoo()
{
    while(mRun.load())
    {
    }
}

更新

微软似乎意识到了这个问题。在 VC++ 论坛中，一位名为“dlafleur”的用户报告了这篇文章： https://connect.microsoft.com/VisualStudio/feedback/details/747145

Answer 5

这个死锁bug和

中的一样

std::thread::join() hangs if called after main() exits when using VS2012 RC

它在 Visual Studio 2013 中未修复。

Answer 6

似乎在 Visual Studio 2015 及更高版本中已修复，至少对于这个特定示例而言。