C++ call_once用法

🌟 概念

call_once 是 C++11 引入的并发工具，定义在 <mutex> 头文件中，用于确保某个函数在多线程环境中只被调用一次。它常用于延迟初始化（lazy initialization）或单例模式的线程安全实现。

• 核心功能：保证一个函数在多个线程中只执行一次，即使多个线程同时尝试调用。
• 依赖：call_once 使用 std::once_flag 作为标志，确保函数的单次执行。
• 适用场景：
  • 单例对象初始化
  • 全局配置加载
  • 资源初始化（如数据库连接）

🔧 API

1. std::call_once

template <class Callable, class... Args>
void call_once(std::once_flag& flag, Callable&& func, Args&&... args);

• 参数：
  • flag：std::once_flag 对象，用于跟踪函数是否已被调用。
  • func：要执行的函数（可调用对象，如函数、lambda、函数对象等）。
  • args：传递给 func 的参数。
• 返回值：无。
• 行为：
  • 如果 flag 表示函数未被调用，则执行 func(args...)。
  • 如果 func 抛出异常，异常会传播，且 flag 状态保持未调用，允许下次重试。
  • 其他线程在 func 执行完成前会被阻塞。

2. std::once_flag

• 定义：std::once_flag 是一个非复制、非移动的类，用于与 call_once 配合。
• 初始化：必须在定义时初始化，通常为静态或全局变量。
• 用法：作为 call_once 的第一个参数。

⚠️ 使用注意

• std::once_flag 不能复制或移动，必须确保同一 once_flag 对象被所有相关线程使用。
• call_once 是线程安全的，无需额外加锁。
• 如果 func 执行时间长，可能导致其他线程阻塞，需谨慎设计。
• 异常安全性：若 func 抛出异常，call_once 会传播异常，且允许重试。

📦 简单示例

以下是一个使用 call_once 实现线程安全单例的例子：

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>class Singleton {
public:static Singleton& getInstance() {std::call_once(flag_, &Singleton::init);return *instance_;}void doSomething() {std::cout << "Singleton is doing something.\n";}private:Singleton() { std::cout << "Singleton constructed.\n"; }static void init() {instance_ = new Singleton();}static Singleton* instance_;static std::once_flag flag_;
};// 静态成员初始化
Singleton* Singleton::instance_ = nullptr;
std::once_flag Singleton::flag_;void worker() {Singleton& s = Singleton::getInstance();s.doSomething();
}int main() {std::thread t1(worker);std::thread t2(worker);std::thread t3(worker);t1.join();t2.join();t3.join();return 0;
}

示例输出

Singleton constructed.
Singleton is doing something.
Singleton is doing something.
Singleton is doing something.

说明

• getInstance 使用 call_once 确保 init 只被调用一次，从而保证 Singleton 对象只构造一次。
• 多个线程调用 getInstance 时，只有第一个线程执行 init，其他线程等待。
• doSomething 展示了单例的使用。

✅ 优点

• 线程安全，无需手动加锁。
• 延迟初始化，节省资源。
• 异常安全，支持重试。

🚫 局限性

• 如果初始化函数耗时长，可能影响性能。
• std::once_flag 不可复制，需小心管理。