引言

最近因為項目要求用c++，之前一直很討厭c++，沒辦法只能短時間彌補c++的知識，項目中需要一個接口只調用一次，需要使用到c++的call_once機制，于是寫一個小demo來測試，就因為這個足夠小發現了一個非常有意思的問題。

call_once,基本原理

std::call_once 的內部實現基于兩個重要的組件：std::once_flag 和 std::invoke。std::once_flag 是一個標志，用于表示某個函數是否已經被調用過。而 std::invoke 則負責實際調用該函數。

call_once的基本工作原理是：使用 std::once_flag 來標記函數是否被調用過。當有多個線程試圖調用 std::call_once 時，只有一個線程會執行函數，其他線程會被阻塞直至該函數執行完畢。

std::call_once 的使用步驟三步曲：

• 創建 std::once_flag 對象：在需要保證函數只調用一次的地方創建一個 std::once_flag 對象。
• 編寫需要執行一次的函數：編寫你想要確保只調用一次的函數。
• 調用 std::call_once：在需要執行該函數的地方調用 std::call_once 并傳入 std::once_flag 和函數名稱。

demo問題引入

demo非常簡單，實現一個Init函數進行call_once調用，只調用一次的函數Initialize做一次打印處理，main中連續調用Init 4次，理論上來說我們執行結果只有一行打印，這也是我們的目的。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <atomic>

std::once_flag flag;

void Initialize()
{
        std::cout << "Run into Initialize.." << std::endl;
}

void Init()
{
        std::call_once(flag, Initialize);
}

int main(){
    Init();
    Init();
    Init();
    Init();

    return 0;
}

使用g++編譯，執行結果發現出錯了：

拋出了個異常，從call_once上的理解來說代碼實現應該是沒問題的。于是使用調試大法gdb，編譯+g后使用gdb調試發現了個有意思的：

使用gdb調試發現__gthread_active_ptr指針是0，然后繼續執行發現___gthread_once返回的__e為0，于是繼續執行if就拋了異常。__gthread_active_ptr這又是什么呢?

深入研究研究

怎么看呢?既然不知道是什么我一般的操作是先看預處理部分代碼，使用gcc -E參數來編譯出call_once.i文件。

g++ -E call_once.cpp -o call_once.i

打開call_once.i文件我發現main函數部分沒有什么特別之處，我們搜索call_once可以看到它的實現。

這段代碼中的 std::call_once 函數首先創建了一個可調用對象 __callable，這個對象會調用傳入的函數 __f，并傳入 __args 參數。然后，它將 __callable 的地址存儲到 __once_callable 變量中。

接下來，通過一個 lambda 表達式將 __callable 的調用封裝在 __once_call 中，這個 lambda 表達式會執行 __callable。

最后，使用底層線程庫的 __gthread_once 函數來確保 __once_call 只會執行一次，即保證傳入的函數 __f 只會被調用一次。

如果 __gthread_once 的返回值不為零，表示執行出現了錯誤，會通過 __throw_system_error 拋出系統錯誤。

既然是if(__e)后拋的異常，我們繼續看__gthread_once的實現，搜索__gthread_once關鍵字，找到其實現：

 11452 static inline int
 11453 __gthread_once (__gthread_once_t *__once, void (*__func) (void))
 11454 {
 11455   if (__gthread_active_p ())
 11456     return __gthrw_pthread_once (__once, __func);
 11457   else
 11458     return -1;
 11459 }

這個函數可以看到執行了__gthread_active_p ，我們繼續找__gthread_active_p 的實現。

__gthread_active_p 是一個內聯函數，返回一個整數值。

static void const __gthread_active_ptr 是一個靜態指針常量，初始化為 __gthrw___pthread_key_create 函數的地址。

extension 是一個 GNU C 擴展，用于告知編譯器避免對某些表達式進行警告。在此處，它將地址轉換為 void類型，以避免類型不匹配的警告。

&__gthrw___pthread_key_create 可能是一個特定線程庫(如 POSIX 線程庫)內部的函數，用于創建線程特定數據的關鍵字。

函數返回 __gthread_active_ptr != 0，即如果該指針非空，則表明線程已激活(從指針命名上猜的)。

所以該函數用于指示線程是否被激活。不明白?我們繼續看__gthrw___pthread_key_create的定義。

11405 static __typeof(pthread_key_create) __gthrw___pthread_key_create __attribute__ ((__weakref__("__pthread_key_create")));

通過 attribute((weakref("__pthread_key_create")))，將 __gthrw___pthread_key_create 弱引用到 __pthread_key_create。

弱引用是一種機制，允許在鏈接過程中，如果存在 __pthread_key_create 的定義，則使用它。但如果找不到 __pthread_key_create，則允許 __gthrw___pthread_key_create 仍然存在，只不過它將保持為空或未定義狀態。

這里大致就明白了，總結一下，call_once內部實現中要找一個__pthread_key_create定義，如果不存在則返回空，即我們調試的時的指針給了0，從而引起異常。__pthread_key_create函數很明顯是線程函數。好，那我們在代碼中加上該函數調用試試看。在main開始增加如下：

int main(){
    pthread_key_t key;
    pthread_key_create(&key, NULL);
    Init();

編譯運行：

達到預期效果了!

所以整體分析一下，在 call_once 的內部實現中，檢測是否支持 __pthread_key_create 可能是為了確保在使用 call_once 進行線程同步時，能夠利用線程特定數據鍵來管理狀態或資源，確保其正確性和性能。如果當前環境不支持 __pthread_key_create，那么在多線程環境下可能無法有效地管理線程特定的狀態信息。

因此，檢測是否支持 __pthread_key_create 可能是 call_once 實現中的一種策略，用于在可能的情況下提供更好的線程安全性和性能。如果當前環境不支持這個特定的功能，可能會采用其他方式來實現 call_once，或者簡化其行為以確保程序在這樣的環境中仍能正確運行，盡管可能會犧牲一些特定的功能或性能。

我嘗試不使用__pthread_key_create，隨便調用一個pthread庫的api，比如pthread_create,或者pthread_mutex_init，調用可以全部傳遞空指針，結果依然是可以達到預期的。所以驗證也說明call_once內部通過弱引用庫函數來檢測當前是否支持多線程，如果不支持則拋出異常，所以使用前提必須是多線程環境。

總結

call_once 的魅力與注意事項：

std::call_once 提供了一種簡單而又強大的多線程同步方式，但在使用時也需注意一些細節。比如一定要確保程序是多線程調用，如果有多線程自然還要確保線程安全，避免潛在的死鎖和競態條件問題登。