面向对象设计与分析40讲（17）双重检查锁定（double-checked locking）范式

双重检查锁定（也称为“双重检查锁定优化”）是一种用于减少获取锁的开销的软件设计模式。它通过在获取锁之前测试锁定条件（即“锁提示”）来实现。只有在锁定条件检查表明需要锁定时才会进行锁定操作。

#include <atomic>
#include <mutex>

class Singleton {
 public:
  static Singleton* GetInstance();

 private:
  Singleton() = default;

  static std::atomic<Singleton*> s_instance;
  static std::mutex s_mutex;
};

Singleton* Singleton::GetInstance() {
  Singleton* p = s_instance.load(std::memory_order_acquire); // A
  if (p == nullptr) { // 1st check
    std::lock_guard<std::mutex> lock(s_mutex);
    p = s_instance.load(std::memory_order_relaxed);
    if (p == nullptr) { // 2nd (double) check
      p = new Singleton();
      s_instance.store(p, std::memory_order_release); // B
    }
  }
  return p;
}

memory_order_acquire主要保证两个事情：

• 相同原子变量的release操作此处可见
• 创建一个同步（synchronization）边界，任何读写都不会被重排到该操作之前

memory_order_release主要保证两个事情：

• 内存写操作对acquire相同原子变量的线程可见
• 创建一个同步（synchronization）边界，任何读写都不会被重排到该操作之后

即假设A、B两个线程同时运行于A、B点，B的release操作对线程A可见。同时p = new Singleton()的读写操作不会被重排到B点之后。

C++ 11提供了基于该范式实现的基础设施std::once_flag和std::call_once:

#include <mutex>
#include <optional> // Since C++17

// Singleton.h
class Singleton {
 public:
  static Singleton* GetInstance();
 private:
  Singleton() = default;

  static std::optional<Singleton> s_instance;
  static std::once_flag s_flag;
};

// Singleton.cpp
std::optional<Singleton> Singleton::s_instance;
std::once_flag Singleton::s_flag{};

Singleton* Singleton::GetInstance() {
  std::call_once(Singleton::s_flag,
                 []() { s_instance.emplace(Singleton{}); });
  return &*s_instance;
}