chromium源码学习——单例模式

源码位于base/memory/singleton.h
首先平时很多资料都会讲到双检测锁（DCL）实现。但是DCL单例已经被证明不是线程安全的，由于CPU的乱序执行，导致instance_ = new Instance这个步骤中，对象的构造与对实例指针的赋值这两个操作的顺序是不一定的，导致有可能出现其他线程取到只初始化了一半的对象。

而chromium中借助CAS操作实现了高性能、线程安全的单例模式。在这里可以先大致说一下CAS（Compare & Swap），属于原子操作的一种。CAS操作先检查原操作数是否为old_value，如果是的话则对其赋值new_value并返回true，否则返回false。
虽然CAS理论上比使用互斥锁进行线程同步的性能要好，但是CAS也有着CAS的问题，比如说经典的ABA问题，这里就不展开描述了，回到单例模式。

先看一下如何使用这个单例模式，头文件中有详细的注释，翻译一下大致就是这样的：
1.在你的类中将base::DefaultSingletonTraits<FooClass>设置为友元类
2.处理一下构造、析构、复制构造函数等几个默认函数
3.实现你的GetInstance函数，在里面调用base::Singleton<FooClass>::get()

其实主要的实现也就在于GetInstance函数了。这里借助了一个特殊的标识1作为对象正在构造的指示，因为一个堆里面的指针不可能指向0x00000001这个地址。如果实例地址为0，则尚未初始化；如果实例地址为1，则正在初始化；否则认为单例实例已经初始化完成，可以直接使用。
流程大致如下：

1. 首先判断对象是否已经初始化完成，能否直接使用；
2. 判断是否正在构造过程中，如果没有在构造，则先设置为正在构造的标志位，然后new一个实例，最后再将实例赋值给预存的指针，并返回；
3. 如果正在构造过程中，则使用自旋等待对象构造完成，再返回实例地址。

static Type* get() {
  // The load has acquire memory ordering as the thread which reads the
  // instance_ pointer must acquire visibility over the singleton data.
  subtle::AtomicWord value = subtle::Acquire_Load(&instance_);
  if (value != 0 && value != internal::kBeingCreatedMarker) {
    return reinterpret_cast<Type*>(value);
  }

  // Object isn't created yet, maybe we will get to create it, let's try...
  if (subtle::Acquire_CompareAndSwap(&instance_, 0,
                                     internal::kBeingCreatedMarker) == 0) {
    // instance_ was NULL and is now kBeingCreatedMarker.  Only one thread
    // will ever get here.  Threads might be spinning on us, and they will
    // stop right after we do this store.
    Type* newval = Traits::New();

    // Releases the visibility over instance_ to the readers.
    subtle::Release_Store(&instance_,
                          reinterpret_cast<subtle::AtomicWord>(newval));

    if (newval != NULL && Traits::kRegisterAtExit)
      AtExitManager::RegisterCallback(OnExit, NULL);

    return newval;
  }

  // We hit a race. Wait for the other thread to complete it.
  value = internal::WaitForInstance(&instance_);

  return reinterpret_cast<Type*>(value);
}

subtle::AtomicWord WaitForInstance(subtle::AtomicWord* instance) {
  subtle::AtomicWord value;
  while (true) {
    value = subtle::Acquire_Load(instance);
    if (value != kBeingCreatedMarker)
      break;
    PlatformThread::YieldCurrentThread();
  }
  return value;
}

主要的逻辑大致如此。除此之外，还有一些其他的细节，比如说自定义new与delete，是否需要注册在atexit中析构等，这些都是通过Singleton模板中的第二个参数来实现的，不指定的话即默认为DefaultSingletonTraits。这也就是为什么需要指定DefaultSingletonTraits为你的类的友元类，因为你的构造、析构函数已经是私有的了，需要让它有权限来构造你的类。