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C++程序员们，快来写最简洁的单例模式吧
想必每一位程序员都对设计模式中的单例模式非常的熟悉吧，以往我们用C++实现一个单例模式需要写以下代码：
1 class CSingleton 2 { 3 private: 4 CSingleton() //构造函数是私有的 5 { 6 } 7 static CSingleton *m_pInstance; 8 public: 9 static CSingleton * GetInstance()10 {11 if (m_pInstance == NULL) //判断是否第一次调用12 m_pInstance = new CSingleton();13 return m_pInstance;14 }15 };
当然，这份代码在单线程环境下是正确无误的，但是当拿到多线程环境下时这份代码就会出现race condition，因此为了能在多线程环境下实现单例模式，我们首先想到的是利用同步机制来正确的保护我们的shared data，于是在多线程环境下单例模式代码就变成了下面这样：
1 class CSingleton 2 { 3 private: 4 CSingleton() //构造函数是私有的 5 { 6 } 7 static CSingleton *m_pInstance; 8 mutex mtx; 9 public:10 static CSingleton * GetInstance()11 {12 mtx.lock();13 if (m_pInstance == NULL) //判断是否第一次调用14 m_pInstance = new CSingleton();15 mtx.unlock();16 return m_pInstance;17 }18 };
正确是正确了，问题是每次调用GetInstance函数都要进入临界区，尤其是在heavy contention情况下函数将会成为系统的性能瓶颈，我们伟大的程序员发现我们不必每次调用GetInstance函数时都去获取锁，只是在第一次new这个实例的时候才需要同步，所以伟大的程序员们发明了著名的DCL技法，即Double Check Lock，代码如下：
1 Widget* Widget::pInstance{ nullptr }; 2 Widget* Widget::Instance() { 3 if (pInstance == nullptr) { // 1: first check 4 lock_guard<mutex> lock{ mutW }; 5 if (pInstance == nullptr) { // 2: second check 6 pInstance = new Widget(); 7 } 8 } 9 return pInstance;10 }
曾今有一段时间，这段代码是被认为正确无误的，但是一群伟大的程序员们发现了其中的bug！并且联名上书表示这份代码是错误的。要解释其中为什么出现了错误，需要读者十分的熟悉memory model，这里我就不详细的说明了，一句话就是在这份代码中第三行代码：if (pInstance == nullptr)和第六行代码pInstance = new Widget();没有正确的同步，在某种情况下会出现new返回了地址赋值给pInstance变量而Widget此时还没有构造完全，当另一个线程随后运行到第三行时将不会进入if从而返回了不完全的实例对象给用户使用，造成了严重的错误。在C++11没有出来的时候，只能靠插入两个memory barrier来解决这个错误，但是C++11已经出现了好几年了，其中我认为最重要的是引进了memory model，从此C++11也能识别线程这个概念了！
因此，在有了C++11后我们就可以正确的跨平台的实现DCL模式了，代码如下：
1 atomic<Widget*> Widget::pInstance{ nullptr }; 2 Widget* Widget::Instance() { 3 if (pInstance == nullptr) { 4 lock_guard<mutex> lock{ mutW }; 5 if (pInstance == nullptr) { 6 pInstance = new Widget(); 7 } 8 } 9 return pInstance;10 }
C++11中的atomic类的默认memory_order_seq_cst保证了3、6行代码的正确同步，由于上面的atomic需要一些性能上的损失，因此我们可以写一个优化的版本：
1 atomic<Widget*> Widget::pInstance{ nullptr }; 2 Widget* Widget::Instance() { 3 Widget* p = pInstance; 4 if (p == nullptr) { 5 lock_guard<mutex> lock{ mutW }; 6 if ((p = pInstance) == nullptr) { 7 pInstance = p = new Widget(); 8 } 9 } 10 return p;11 }
但是，C++委员会考虑到单例模式的广泛应用，所以提供了一个更加方便的组件来完成相同的功能：
1 static unique_ptr<widget> widget::instance;2 static std::once_flag widget::create;3 widget& widget::get_instance() {4 std::call_once(create, [=]{ instance = make_unique<widget>(); });5 return instance;6 }
可以看出上面的代码相比较之前的示例代码来说已经相当的简洁了，但是！！！有是但是！！！！在C++memory model中对static local variable，说道：The initialization of such a variable is defined to occur the first time control passes through its declaration; for multiple threads calling the function, this means there’s the potential for a race condition to define first.因此，我们将会得到一份最简洁也是效率最高的单例模式的C++11实现：
1 widget& widget::get_instance() {2 static widget instance;3 return instance;4 }
用Herb Sutter的话来说这份代码实现是“Best of All”的。
C++程序员们，快来写最简洁的单例模式吧