单例中静态声明的区别

Question

（取自书中的代码：http://gameprogrammingpatterns.com/ by Robert Nystrom）

在上面的书中，作者提供了两种不同的方法来制作单例类：

第一个：

class FileSystem
{
public:
  static FileSystem& instance()
  {
    // Lazy initialize.
    if (instance_ == NULL) instance_ = new FileSystem();
    return *instance_;
  }

private:
  FileSystem() {}

  static FileSystem* instance_;
};

第二个：

class FileSystem
{
public:
  static FileSystem& instance()
  {
    static FileSystem *instance = new FileSystem();
    return *instance;
  }

private:
  FileSystem() {}
};

后来他说第二个是更合适的方法，因为它是线程安全的，而第一个不是。
是什么让第二个线程安全？
这两者在静态声明上有什么区别？

Answer 1

第一个版本不是线程安全的，多个线程可能会尝试在没有任何同步的情况下同时读取和修改instance_，这会导致竞争条件。

第二个版本从 C++11 开始是线程安全的。引自cppreference（静态局部变量部分）：

如果多个线程尝试初始化相同的静态本地 变量并发，初始化只发生一次（类似 可以使用 std::call_once 获得任意函数的行为）

有了这个保证，对instance的修改只发生一次，并发读取没有问题。

不过，第二个版本在 C++11 之前不是线程安全的。

Answer 2

在第一个代码 sn-p 中，将instance_ 指针设置为单例是一个赋值。它没有得到编译器的任何特殊处理。特别是，如果从并发线程调用instance()，它可能会执行多次。

当两个并发线程尝试评估instance_ == NULL 并获得true 时，这会产生问题。此时两个线程都创建了一个新实例，并将其分配给instance_ 变量。分配给instance_ 的第一个指针被泄露，因为第二个线程立即覆盖它，导致对象无法访问。

在第二个代码 sn-p 设置 instance 指针是初始化。编译器保证静态变量的初始化将最多进行一次，而不管并发调用instance() 的线程数如何。本质上，系统中最多有一个单例的保证是由编译器提供的，没有任何显式的并发处理代码。

Answer 3

在前一种情况下，如果两个线程尝试同时创建实例，则可能会创建 2 个（或更多）单例对象副本。 （如果两者都观察到**instance_** 为NULL，并且两者都创建new 实例）。 （更糟糕的是，创建第一个实例的线程可能会在后续调用中获得不同的实例值）

第二个使用static 初始化并在第一次调用函数时构造对象。所以编译器保证static FileSystem *instance = new FileSystem();在程序single的生命周期内最多执行一次，因此在任何时候都存在atmist对象的单个副本。

这使得后来的设计线程对于 C++11 和更高版本的 C++ 编译器是安全的。尽管该设计在 C++03 和 C++98 实现中可能不安全。

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以前设计的另一个缺点是，对象不能被破坏，而在后来的设计中，可以通过将 typeof instance_ 更改为 static FileSystem 来破坏它。即

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

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相关：Is Meyers implementation of Singleton pattern thread safe?