C++程序員們，快來寫最簡潔的單例模式吧
想必每一位程序員都對設計模式中的單例模式非常的熟悉吧，以往我們用C++實現一個單例模式需要寫以下代碼：
1 class CSingleton
2 {
3 private:
4 CSingleton() //構造函數是私有的
5 {
6 }
7 static CSingleton *m_pInstance;
8 public:
9 static CSingleton * GetInstance()
10 {
11 if (m_pInstance == NULL) //判斷是否第一次調用
12 m_pInstance = new CSingleton();
13 return m_pInstance;
14 }
15 };
當然，這份代碼在單線程環境下是正確無誤的，但是當拿到多線程環境下時這份代碼就會出現race condition，因此為了能在多線程環境下實現單例模式，我們首先想到的是利用同步機制來正確的保護我們的shared data，於是在多線程環境下單例模式代碼就變成了下面這樣：
1 class CSingleton
2 {
3 private:
4 CSingleton() //構造函數是私有的
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) //判斷是否第一次調用
14 m_pInstance = new CSingleton();
15 mtx.unlock();
16 return m_pInstance;
17 }
18 };
正確是正確了，問題是每次調用GetInstance函數都要進入臨界區，尤其是在heavy contention情況下函數將會成為系統的性能瓶頸，我們偉大的程序員發現我們不必每次調用GetInstance函數時都去獲取鎖，只是在第一次new這個實例的時候才需要同步，所以偉大的程序員們發明了著名的DCL技法，即Double Check Lock，代碼如下：
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 }
曾今有一段時間，這段代碼是被認為正確無誤的，但是一群偉大的程序員們發現了其中的bug！並且聯名上書表示這份代碼是錯誤的。要解釋其中為什麼出現了錯誤，需要讀者十分的熟悉memory model，這裡我就不詳細的說明了，一句話就是在這份代碼中第三行代碼：if (pInstance == nullptr)和第六行代碼pInstance = new Widget();沒有正確的同步，在某種情況下會出現new返回了地址賦值給pInstance變量而Widget此時還沒有構造完全，當另一個線程隨後運行到第三行時將不會進入if從而返回了不完全的實例對象給用戶使用，造成了嚴重的錯誤。在C++11沒有出來的時候，只能靠插入兩個memory barrier來解決這個錯誤，但是C++11已經出現了好幾年了，其中我認為最重要的是引進了memory model，從此C++11也能識別線程這個概念了！
因此，在有了C++11後我們就可以正確的跨平台的實現DCL模式了，代碼如下：
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類的默認memory_order_seq_cst保證了3、6行代碼的正確同步，由於上面的atomic需要一些性能上的損失，因此我們可以寫一個優化的版本：
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++委員會考慮到單例模式的廣泛應用，所以提供了一個更加方便的組件來完成相同的功能：
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 }
可以看出上面的代碼相比較之前的示例代碼來說已經相當的簡潔了，但是！！！有是但是！！！！在C++memory model中對static local variable，說道：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，我們將會得到一份最簡潔也是效率最高的單例模式的C++11實現：
1 widget& widget::get_instance() {
2 static widget instance;
3 return instance;
4 }
用Herb Sutter的話來說這份代碼實現是“Best of All”的。
