C++ 并发专题 - 线程安全的单例模式

一：概述：

        在C++编程中，call_once 是一种机制，用于确保某个函数或代码段在多线程环境下仅被调用一次。这种机制常用于初始化资源、配置全局变量或执行只需执行一次的逻辑。在 C++11 标准中，std::call_once 是由标准库提供的工具，它与 std::once_flag 配合使用，能够实现线程安全的一次性初始化。

二：工作原理：

1. std::once_flag：是一个标志，标识某段代码是否已经被调用过。
2. std::call_once：接收一个 std::once_flag 和一个函数/可调用对象，只在第一次调用时执行，后续调用直接返回

三：特点和优点

1. 线程安全：即使多个线程同时调用，std::call_once 也保证函数只执行一次。
2. 性能优化：相比手写的双重检查锁机制，std::call_once 更简洁、易用且高效。
3. 无锁实现：在实现细节上，现代标准库可能会使用无锁算法，减少锁竞争的开销。

四：例子（线程安全的单例模式）

#include <iostream>
#include <mutex>

// 单例类 MySingleton
class MySingleton {

private:
    static std::once_flag initInstanceFlag; // 标志位，确保初始化函数只调用一次
    static MySingleton * instance;         // 指向单例实例的静态指针

    // 私有化构造函数和析构函数，防止外部创建或销毁实例
    MySingleton() = default;
    ~MySingleton() = default;

public:
    // 删除拷贝构造函数和赋值运算符，防止复制或赋值单例对象
    MySingleton(const MySingleton&) = delete;
    MySingleton& operator = (const MySingleton&) = delete;

    // 获取单例实例的方法
    static MySingleton * getInstance() {
        // 使用 std::call_once 确保 initSingleton 只被调用一次
        std::call_once(initInstanceFlag, MySingleton::initSingleton);
        return instance;
    }

    // 初始化单例实例的静态方法
    static void initSingleton() {
        instance = new MySingleton();
    }
};

// 定义静态成员变量，初始化为空
MySingleton * MySingleton::instance = nullptr;
std::once_flag MySingleton::initInstanceFlag;

int main() {
    // 输出空行，仅用于美化输出
    std::cout << '\n';

    // 第一次调用 getInstance 时，初始化单例对象
    std::cout << "MySingleton::getInstance(): " << MySingleton::getInstance() << '\n';

    // 第二次调用 getInstance，不会重新初始化，返回同一个实例
    std::cout << "MySingleton::getInstance(): " << MySingleton::getInstance() << '\n';

    std::cout << '\n'; // 输出空行，美化输出
}