c++ - Meyers 的单例实现实际上是如何实现单例的

Question

我已经阅读了很多关于单例的文章，它们应该在什么时候使用，什么时候不应该使用，以及如何安全地实现它们。我正在用 C++11 编写，并且遇到了 Meyer 的单例延迟初始化实现，如 this question. 中所示。

这个实现是:

static Singleton& instance()
{
     static Singleton s;
     return s;
}

我了解这对于 SO 上的其他问题来说是线程安全的，但我不明白这实际上是一个单例模式。我已经用其他语言实现了单例，这些总是像 Wikipedia 中的这个例子一样。 :

public class SingletonDemo {
        private static volatile SingletonDemo instance = null;

        private SingletonDemo() {       }

        public static SingletonDemo getInstance() {
                if (instance == null) {
                        synchronized (SingletonDemo .class){
                                if (instance == null) {
                                        instance = new SingletonDemo ();
                                }
                      }
                }
                return instance;
        }
}

当我查看第二个示例时，非常直观地知道这是一个单例，因为该类拥有对自身一个实例的引用，并且只返回该实例。但是，在第一个示例中，我不明白这如何阻止对象的两个实例存在。所以我的问题是:

1. 第一个实现如何强制执行单例模式？我认为它与 static 关键字有关，但我希望有人可以深入向我解释幕后发生的事情。
2. 在这两种实现方式中，哪一种更可取？有什么优缺点？

感谢您的帮助，

Answer 1

这是一个单例，因为 static 函数本地的存储持续时间意味着程序中只存在该本地的一个实例。

在底层，这可以非常粗略地认为等同于以下 C++98(甚至可能被编译器模糊地实现为这样):

static bool __guard = false;
static char __storage[sizeof(Singleton)]; // also align it

Singleton& Instance() {
  if (!__guard ) {
    __guard = true;
    new (__storage) Singleton();
  }
  return *reinterpret_cast<Singleton*>(__storage);
}

// called automatically when the process exits
void __destruct() {
  if (__guard)
    reinterpret_cast<Singleton*>(__storage)->~Singleton();
}

线程安全位让它变得有点复杂，但本质上是一样的。

查看 C++11 的实际实现，每个静态变量(如上面的 bool 值)都有一个 保护变量，它也用于屏障和线程。查看 Clang 的 AMD64 输出:

Singleton& instance() {
   static Singleton instance;
   return instance;
}

instance 的 AMD64 程序集来自 Ubuntu 的 Clang 3.0 on AMD64 at -O1(由 http://gcc.godbolt.org/ 提供:

instance():                           # @instance()
  pushq %rbp
  movq  %rsp, %rbp
  movb  guard variable for instance()::instance(%rip), %al
  testb %al, %al
  jne   .LBB0_3
  movl  guard variable for instance()::instance, %edi
  callq __cxa_guard_acquire
  testl %eax, %eax
  je    .LBB0_3
  movl  instance()::instance, %edi
  callq Singleton::Singleton()
  movl  guard variable for instance()::instance, %edi
  callq __cxa_guard_release
.LBB0_3:
  movl  instance()::instance, %eax
  popq  %rbp
  ret

您可以看到它引用了一个全局 guard 来查看是否需要初始化，使用 __cxa_guard_acquire，再次测试初始化​​，等等。除了使用 AMD64 程序集和 Itanium ABI 中指定的符号/布局之外，几乎在所有方面都与您从 Wikipedia 发布的版本完全相同.

请注意，如果您运行该测试，您应该为 Singleton 提供一个重要的构造函数，因此它不是 POD，否则优化器将意识到做所有这些保护/锁定工作是没有意义的。