如何在C++中实现线程安全的单例模式？

作者

在多线程环境中实现单例模式时，最关键的是保证实例在第一次使用时只被创建一次，同时避免多线程竞争导致的重复实例化。C++11 之后的标准提供了多种原子性和同步机制，可以轻松实现线程安全的单例。

1. 经典实现：双重检查锁（Double-Checked Locking）

双重检查锁的核心思路是在判断实例是否存在时使用两次锁定，第一次检查不加锁，第二次检查加锁。它的缺点是实现相对复杂，并且在一些编译器中仍可能出现可见性问题。

class Singleton {
public:
    static Singleton& instance() {
        if (instance_ == nullptr) {            // 第一次检查
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
            if (instance_ == nullptr) {        // 第二次检查
                instance_ = new Singleton();
            }
        }
        return *instance_;
    }

    // 禁止拷贝构造和赋值
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

private:
    Singleton() {}
    ~Singleton() {
        delete instance_;
        instance_ = nullptr;
    }

    static Singleton* instance_;
    static std::mutex mutex_;
};

Singleton* Singleton::instance_ = nullptr;
std::mutex Singleton::mutex_;

2. C++11 本地静态变量实现

从 C++11 开始，编译器保证对局部静态变量的初始化是线程安全的。只需在函数内部定义静态对象即可：

class Singleton {
public:
    static Singleton& instance() {
        static Singleton instance;  // C++11 线程安全初始化
        return instance;
    }

    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

private:
    Singleton() {}
};

该实现最简洁，且性能优秀。局部静态变量在第一次调用 instance() 时才会被构造，随后所有线程共享同一实例。

3. std::call_once 方案

std::call_once 与 std::once_flag 组合使用，可以在多线程环境下确保某段代码仅执行一次。它常用于需要延迟初始化且实例类型不支持局部静态的情况。

class Singleton {
public:
    static Singleton& instance() {
        std::call_once(initFlag_, []() {
            instance_ = new Singleton();
        });
        return *instance_;
    }

    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

private:
    Singleton() {}
    ~Singleton() { delete instance_; }

    static Singleton* instance_;
    static std::once_flag initFlag_;
};

Singleton* Singleton::instance_ = nullptr;
std::once_flag Singleton::initFlag_;

4. 何时使用哪种实现？

场景 推荐实现 原因
需要兼容 C++98/C++03 双重检查锁（配合编译器的内存屏障） 无法使用 C++11 新特性
需要简洁、安全、延迟初始化 局部静态变量 C++11 标准保证线程安全
需要对对象的创建过程进行自定义（如抛异常、日志） std::call_once 允许使用 lambda 或自定义函数

5. 注意事项

  1. 单例的析构：若在程序退出前需要销毁单例，必须显式 delete。使用局部静态时，析构会在程序结束时自动调用。std::call_once 方式需要手动管理。
  2. 避免全局对象的构造顺序问题：如果单例依赖于其他全局对象，可能出现依赖顺序问题。建议将单例的实现延迟到真正需要时。
  3. 线程安全性：即使使用局部静态，仍需确保单例内部的成员函数在多线程环境下也是线程安全的。可通过内部锁或原子操作实现。

通过上述三种方式，C++ 开发者可以根据项目的编译环境、性能需求以及实现复杂度，选择最适合的线程安全单例实现。

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