**如何在 C++17 中实现线程安全的单例模式？**

作者

在多线程环境下，单例模式的实现必须保证仅有一个实例，并且在并发创建时不产生竞争条件。C++17 提供了更简洁、更安全的实现方法。下面我们从理论讲解、代码实现和常见陷阱三个方面展开。

1. 理论基础

  1. 单例约束

    • 唯一性：全局范围内只存在一个实例。
    • 延迟初始化：实例在第一次使用时创建。
    • 线程安全：多线程同时访问时不会产生未定义行为。

  2. C++17 的关键特性

    • std::call_once / std::once_flag：一次性执行，保证线程安全。
    • std::unique_ptr：自动管理生命周期。
    • std::mutex 与 std::scoped_lock：简洁锁管理。
    • 初始化顺序规则：函数内的静态局部变量在第一次进入时初始化，且是线程安全的（C++11 起）。

2. 代码实现

方案一：函数内静态局部变量（最简单、最安全）

#include <iostream>
#include <mutex>

class Logger {
public:
    static Logger& instance() {
        static Logger inst;   // C++11 起保证线程安全
        return inst;
    }

    void log(const std::string& msg) {
        std::scoped_lock lock(mtx_);
        std::cout << "[LOG] " << msg << '\n';
    }

private:
    Logger() = default;
    Logger(const Logger&) = delete;
    Logger& operator=(const Logger&) = delete;

    std::mutex mtx_;
};

优点

  • 代码最短。
  • 依赖标准库，完全线程安全。
  • 对象在第一次使用时创建，随后所有线程共享同一实例。

缺点

  • 无法在析构时做额外清理（除非手动注册 atexit）。
  • 若需要在程序早期销毁，需更复杂的手段。

方案二：std::call_once 与 std::unique_ptr

#include <iostream>
#include <memory>
#include <mutex>

class Config {
public:
    static Config& instance() {
        std::call_once(initFlag_, []() {
            inst_.reset(new Config());
        });
        return *inst_;
    }

    void set(const std::string& key, const std::string& value) {
        std::scoped_lock lock(mtx_);
        config_[key] = value;
    }

    std::string get(const std::string& key) const {
        std::scoped_lock lock(mtx_);
        auto it = config_.find(key);
        return it != config_.end() ? it->second : "";
    }

private:
    Config() = default;
    ~Config() = default;  // 允许自动析构

    std::unordered_map<std::string, std::string> config_;
    mutable std::mutex mtx_;

    static std::once_flag initFlag_;
    static std::unique_ptr <Config> inst_;
};

std::once_flag Config::initFlag_;
std::unique_ptr <Config> Config::inst_;

优点

  • 明确初始化顺序，可在 inst_ 为 nullptr 时手动销毁。
  • 可在构造函数中执行复杂逻辑。

缺点

  • 需要手动维护静态成员变量。
  • 代码稍显冗长。

3. 常见陷阱与解决方案

案件 说明 解决方案
饿汉式单例 在程序启动即创建实例，可能导致未使用也占用资源 采用懒加载或 std::call_once 延迟初始化
复制构造/赋值 未删除导致出现多实例 在类中删除拷贝构造和赋值运算符
析构顺序 静态对象销毁顺序不确定，导致访问已销毁的单例 使用 std::call_once 或 std::unique_ptr 并显式释放
多线程初始化竞争 在旧 C++ 标准或自定义实现中可能出现 使用 std::call_once 或 C++11+ 静态局部变量，确保线程安全

4. 小结

  • 推荐：在 C++17 中，最简洁且最安全的做法是使用函数内静态局部变量。
  • 细粒度控制：若需要更细致的生命周期管理或定制初始化/销毁过程，std::call_once 与 std::unique_ptr 提供了足够的灵活性。
  • 最佳实践：始终删除拷贝/赋值操作符，避免多实例；使用 std::mutex 或 std::scoped_lock 保护内部可变状态；在多线程环境下验证单例是否确实只有一个实例。

通过以上实现，你可以在任何 C++17 项目中安全、可靠地使用单例模式。

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