【C/C++】双重检查锁定下的atomic操作

DCL & atomic

1 “双重检查锁定”（Double-Checked Locking, DCL）模式

这个模式主要用于“懒汉式”初始化单例，结构如下：

std::atomic<MySingleton*> instance = nullptr;
std::mutex mtx;

MySingleton* getInstance() {
    MySingleton* tmp = instance.load(std::memory_order_acquire);  // 第一次检查（无锁）
    if (tmp == nullptr) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        tmp = instance.load(std::memory_order_relaxed);           // 第二次检查（加锁后）
        if (tmp == nullptr) {
            tmp = new MySingleton();                              // 初始化
            instance.store(tmp, std::memory_order_release);
        }
    }
    return tmp;
}

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2 外层的 atomic.load() 真能拦住多线程吗？

不能完全拦住多线程同时进入 if 判断，但它是有意义的。
真正的防止并发初始化，靠的是加锁 + 第二次判断（内层 check）。

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3 原因详解

外层 load() 是一种“快速路径”优化：

• 外层 load() 是非阻塞的、快速的：它会拦住大部分非首次访问的线程，避免加锁；
• 但在第一次初始化时，多个线程同时进入 if (tmp == nullptr) 是完全可能的，除非你加锁。

所以外层 atomic.load() 不是“拦住线程”，而是：

• 提前判断，避免争抢锁；
• 减少后续加锁压力；
• 真正的并发安全靠 mutex + 第二次检查。

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4 关键点总结

层级	操作	能力
外层 atomic.load	快速判断	❌ 不能完全阻止并发初始化
mutex + 内层检查	严格保护	✅ 保证只有一个线程初始化
store(release) / load(acquire)	保证内存可见性	✅ 保证其他线程看到完整对象

C++11 之后 DCL 是安全的，但要求：

1. instance 是 std::atomic。
2. 使用 memory_order_acquire / release 保证内存顺序。
3. 避免指针“构造中被读取”（见下）。

DCL 的历史 bug（构造未完成）

如果你写的是：

MySingleton* tmp = new MySingleton(); // tmp 构造中
instance.store(tmp);                 // 此时 store 了一个尚未完整构造的对象！

另一个线程可能这样：

MySingleton* p = instance.load();    // 获取到指针
p->doSomething();                    //  使用未初始化完的对象！

所以 C++11 要求：用 store(memory_order_release) + load(memory_order_acquire) 保证：

• store 之前的所有写（对象构造）对 load 之后可见；
• 防止指令重排导致“构造未完成就可见”。

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5 推荐替代方式

在现代 C++ 中，推荐更安全的方式：

使用 std::call_once + std::once_flag

std::once_flag flag;
MySingleton* instance = nullptr;

MySingleton* getInstance() {
    std::call_once(flag, []() {
        instance = new MySingleton();  // 构造只会被调用一次
    });
    return instance;
}

这是最安全、最简洁的单例方式。

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6 总结

• 外层 atomic.load() 并不能“拦住多线程”，它只是优化路径。
• 真正防止多线程同时初始化靠的是 锁 + 第二次检查。
• DCL 在 C++11 后 配合 acquire/release 语义是安全的，但实现时要特别小心构造顺序。
• std::call_once 是更现代的、安全的替代方案。