动态库之间单例模式出现多个实例（Linux）

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发布时间：2019-06-18

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本文目的

前几天在开发中遇到一个古怪的问题，定位了两天左右的时间才发现问题。该问题正如题目所描述：单一模式在动态链接库之间出现了多个实例。由于该实例是一个配置管理器，许多配置信息都在这个实例的初始化过程中读取，一旦出错，系统的其他地方都无法正确运行，所以给问题定位带来一定难度。为了避免敏感信息的泄漏，同时为了便于大家理解，将问题简化，在此与大家分享。

问题描述

首先，编写一个简单的单一模式的类，文件singleton.h内容如下。

#ifndef SINGLETON_H_#define SINGLETON_H_class singleton{private:    singleton() {num = -1;}    static singleton* pInstance;public:    static singleton& instance(){        if (NULL == pInstance){            pInstance = new singleton();        }        return *pInstance;    }public:    int num;};singleton* singleton::pInstance = NULL;#endif

接下来，编写一个简单的插件，调用该singleton，插件内容在hello.cpp文件中，如下:

#include 
    
     #include "singleton.h"extern "C" void hello() {std::cout << "singleton.num in hello.so : "             << singleton::instance().num << std::endl;    ++singleton::instance().num;std::cout << "singleton.num in hello.so after ++ : "             << singleton::instance().num << std::endl;}

最后，编写一个main函数，调用singleton和插件，如下面的example1.cpp文件：

#include 
    
     #include 
     
      #include "singleton.h"int main() {using namespace std;    // call singleton firstly    singleton::instance().num = 100;    cout << "singleton.num in main : "       << singleton::instance().num << endl;    // open the library    void* handle = dlopen("./hello.so", RTLD_LAZY);    if (!handle) {        cerr << "Cannot open library: " << dlerror() << '\n';        return 1;    }        // load the symbol    typedef void (*hello_t)();    // reset errors    dlerror();    hello_t hello = (hello_t) dlsym(handle, "hello");    const char *dlsym_error = dlerror();    if (dlsym_error) {        cerr << "Cannot load symbol 'hello': "               << dlsym_error << '\n';        dlclose(handle);        return 1;    }        hello();  // call method in the plugin    // call singleton secondlycout << "singleton.num in main : "       << singleton::instance().num << endl;    dlclose(handle);}

好了，问题重现的简化版本构建完成，接下来，我们需要编译并执行它。编写makefile，内容如下（PS: singleton.h,hellp.cpp和example1.cpp在同一个目录中）：

example1: main.cpp hello.so	$(CXX) $(CXXFLAGS) -o example1 main.cpp -ldlhello.so: hello.cpp	$(CXX) $(CXXFLAGS) -shared -o hello.so hello.cppclean:	rm -f example1 hello.so.PHONY: clean

make完后，运行example1文件。读到这里，你认为会输出什么？不读题目，可能，你认为会输出这些内容：

singleton.num in main : 100

singleton.num in hello.so : 100

singleton.num in hello.so after ++ : 101

singleton.num in main : 101

可是，小黑框中输出了如下的内容（注意红色部分）：

singleton.num in main : 100

singleton.num in hello.so : -1

singleton.num in hello.so after ++ : 0

singleton.num in main : 100

从输出内容中，可以看出singleton出现了两个实例，一个实例在main函数中，另一个实例在插件hello.so中。

原因分析和解决方法

上面的现象，与现实中的项目一样，为单例构造了两个实例，这与我的初衷（使用单一的配置）相悖。为什么会出现这个现象呢？

究其原因，是由于插件的动态链接引起的。hello.so在动态链接过程中，没有发现example1中有singleton::instance这个实例（但是事实上，该实例已经存在了），那么就会自己创建一个实例（正如单例的逻辑实现），这样就导致了两个实例。

可以通过工具nm查看example1的符号表（symbol table），看看其中是否包含singleton::instance符号（dynamic ）。

（PS: google一下”symbol table”和”nm”可以了解更多细节）

$ nm -C example1 | grep singleton

080488fa t global constructors keyed to _ZN9singleton9pInstanceE

08048ab6 W singleton::instance()

08049ff0 B singleton::pInstance

08048aa8 W singleton::singleton()

$ nm –C –D example1 | grep singleton

D选项用于查看动态符号（dynamic symbol），你会发现singleton::pInstance在静态表中存在，在动态表中不存在，这也就是说，动态连接器（dynamic linker）在加载hello.so的时候，无法找到singleton::pInstance的唯一实例，只能构造一个新的实例，该实例在hello.so中是唯一的，但是不能保证在example1和hello.so中唯一。

现在，解决问题的关键在于如何暴露example1中的singleton::pInstance。好在，GNU make有一个链接选项-rdynamic，可以帮我们解决这个问题，看看修改后的makefile(注意第二行末尾与原来的区别)：

example1: main.cpp hello.so	$(CXX) $(CXXFLAGS) -o example1 main.cpp –ldl -rdynamichello.so: hello.cpp	$(CXX) $(CXXFLAGS) -shared -o hello.so hello.cppclean:	rm -f example1 hello.so.PHONY: clean

修改后，重新编译example1(make clean && make)。

此时，再看看example1的符号表(注意红色高亮部分)：

$ nm -C example1 | grep singleton

08048ada t global constructors keyed to _ZN9singleton9pInstanceE

08048c96 W singleton::instance()

08049280 B singleton::pInstance

08048c88 W singleton::singleton()

$ nm -C -D example1 | grep singleton

08048c96 W singleton::instance()

08049280 B singleton::pInstance

08048c88 W singleton::singleton()

静态符号没有什么变化，但是动态符号却显示了更多的内容，其中包括我们想要的singleton：：pInstance，也就是singleton的唯一实例。

OK，此时上面的问题已经解决，执行example1，输出结果如下：

singleton.num in main : 100

singleton.num in hello.so : 100

singleton.num in hello.so after ++ : 101

singleton.num in main : 101

此结果表明singleton在example1和hello.so之间只产生了一个实例。

插件设计建议

到目前为止，上面的问题已经解决，似乎这边文章应该结束了。但是，针对上面的问题，虽然从技术层面可以解决，但是此问题最好从设计层面上避免，养成良好的程序设计风格。

首先，我们需要明白一点，插件其实是一个独立的程序，它与主程序的不同在于他没有一个像main函数一样的入口，而是被主程序动态加载并调用相关接口。打个比喻，插件与主程序的关系好比主人（主程序）与仆人（插件）。主人通过接口向仆人发出命令，也就是调用仆人的相关函数。而仆人在执行命令的时候，不应该打扰主人，也就是不应该去调用主人的单例或其他全局变量。为了做到这一点，主人在命令中应该给出足够的信息，以便仆人能够顺利完成任务，也就是应该传入一些参数，这些参数可以由主程序统一读取，然后传给插件。这样，就不会出现类似上面两个单例实例的问题。

小结上面的比喻：主程序读取所有配置，将配置传给插件，插件在执行任务时，不要调用主程序的全局变量，而是通过局部变量，也就是参数和返回值的方式，与主程序交互。