std::call_once

std::call_once 是 C++11 标准库中提供的一个线程安全的一次性调用机制，位于 <mutex> 头文件中。它用于确保在多线程环境中，某个函数（或可调用对象）仅被调用一次，无论有多少线程尝试调用它。这种机制常用于实现线程安全的单例模式、延迟初始化等场景。

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核心机制

• 依赖 std::once_flag：
  需要与 std::once_flag 配合使用，once_flag 用于标记某个操作是否已被执行。
• 线程安全：
  多个线程调用 std::call_once 时，最终只有一个线程会实际执行目标函数，其他线程会被阻塞，直到目标函数执行完毕。

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基本语法

#include <mutex>std::once_flag flag;  // 必须全局或共享void initialize() {// 仅执行一次的初始化逻辑
}void thread_func() {std::call_once(flag, initialize); // 保证 initialize() 只执行一次
}

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典型应用场景

1. 线程安全的单例模式

class Singleton {
public:static Singleton& getInstance() {std::call_once(init_flag, []() {instance.reset(new Singleton());});return *instance;}// 禁止拷贝和赋值Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;private:Singleton() = default;  // 私有构造函数~Singleton() = default;static std::unique_ptr<Singleton> instance;static std::once_flag init_flag;
};// 静态成员初始化
std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance;
std::once_flag Singleton::init_flag;

2. 延迟初始化

class Resource {
public:void load() { /* 耗时的初始化操作 */ }
};Resource* global_resource = nullptr;
std::once_flag resource_flag;void initResource() {global_resource = new Resource();global_resource->load();
}void useResource() {std::call_once(resource_flag, initResource); // 按需初始化// 使用 global_resource...
}

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关键特性

1. 线程安全：
   std::call_once 内部通过锁或原子操作保证线程安全，无需手动管理互斥量。
2. 异常处理：
   • 如果被调用的函数抛出异常，该异常会传播到调用线程，且 once_flag 不会被标记为“已执行”，其他线程可能会再次尝试执行。
   • 若需确保函数仅执行一次（即使抛出异常），需在函数内部处理异常。
3. 性能优化：
   • 仅第一次调用需要同步，后续调用无锁，性能接近直接访问。
   • 比双重检查锁定（Double-Checked Locking）更简洁安全。

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注意事项

• once_flag 的生命周期：
  std::once_flag 必须与目标函数的调用周期一致，通常声明为 static 或全局变量。
• 不可复用：
  一个 once_flag 只能用于一次初始化操作。不同初始化逻辑需使用不同的 once_flag。
• C++11 后的单例简化写法：
  对于单例模式，C++11 起局部静态变量的初始化是线程安全的，因此可以更简洁地实现：

  Singleton& Singleton::getInstance() {static Singleton instance;  // C++11 保证线程安全return instance;
  }
  

  但 std::call_once 在需要动态初始化或复杂逻辑时仍然有用。

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与双重检查锁定的对比

传统双重检查锁定（DCLP）：

Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex mtx;Singleton* Singleton::getInstance() {if (instance == nullptr) {              // 第一次检查std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);if (instance == nullptr) {          // 第二次检查instance = new Singleton();}}return instance;
}

• 缺点：需手动管理锁，且在某些内存模型下可能出现未定义行为（如指令重排序）。
• 优势：std::call_once 更简洁且无隐患。

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总结

• 适用场景：单例模式、全局配置加载、资源按需初始化等。
• 核心价值：简化多线程环境下的“一次性操作”实现，避免手动管理锁和竞态条件。
• 性能：接近无锁操作，适合高频调用场景。