**标题：如何在 C++ 中实现线程安全的单例模式？**

作者

在多线程环境下实现单例模式时，最关键的问题是保证实例的唯一性与线程安全。下面给出几种常见且高效的实现方式，并对每种方法的优缺点进行简要说明。

1. 局部静态变量（C++11 之后）

class Singleton {
public:
    static Singleton& instance() {
        static Singleton instance;  // C++11 之后保证线程安全
        return instance;
    }
private:
    Singleton()  = default;
    ~Singleton() = default;
    Singleton(const Singleton&)            = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};

优点

  • 代码简洁，易于维护。
  • 依赖标准库实现，跨平台性好。
  • 只在第一次调用时构造，后续访问无额外开销。

缺点

  • 对 C++11 之前的编译器不适用。
  • 在极少数情况下，局部静态变量的析构顺序可能导致 “static deinitialization order fiasco”，但这在 C++11 之后已被标准解决。

2. 双重检查锁（DCLP）

class Singleton {
public:
    static Singleton* instance() {
        if (ptr == nullptr) {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
            if (ptr == nullptr) {
                ptr = new Singleton();
            }
        }
        return ptr;
    }
private:
    Singleton()  = default;
    ~Singleton() = default;
    Singleton(const Singleton&)            = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

    static Singleton* ptr;
    static std::mutex mtx;
};

Singleton* Singleton::ptr = nullptr;
std::mutex Singleton::mtx;

优点

  • 对早期的 C++ 标准兼容。
  • 只在真正需要创建实例时才加锁，性能相对较好。

缺点

  • 实现细节繁琐，容易出现错误。
  • 需要手动管理实例的生命周期（如在程序结束前手动 delete）。
  • 在某些编译器/平台上可能出现 “memory reorder” 的问题，需要使用 std::atomic<Singleton*> 或者 std::atomic<bool> 来防止。

3. 枚举单例（Enum）

class Singleton {
public:
    static Singleton& instance() {
        static Singleton instance;
        return instance;
    }
private:
    Singleton()  = default;
    ~Singleton() = default;
    Singleton(const Singleton&)            = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};

enum class SingletonHolder { INSTANCE }; // 只用来占位

此方式与第一种方式类似，但利用枚举避免了可能的构造/析构顺序问题。

4. 静态局部变量 + std::call_once

class Singleton {
public:
    static Singleton& instance() {
        std::call_once(flag, []() {
            ptr = new Singleton();
        });
        return *ptr;
    }
private:
    Singleton()  = default;
    ~Singleton() = default;
    Singleton(const Singleton&)            = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

    static Singleton* ptr;
    static std::once_flag flag;
};

Singleton* Singleton::ptr = nullptr;
std::once_flag Singleton::flag;

优点

  • 兼容 C++03，且线程安全。
  • 只执行一次初始化，性能优异。

缺点

  • 需要手动释放 ptr，否则可能导致内存泄漏。

小结

  • 推荐：若使用 C++11 及以后版本，最简洁且安全的方式是 局部静态变量（第一种）。
  • 兼容老版本：可使用 std::call_once 或 双重检查锁。
  • 需要注意内存管理：若使用 new，务必在程序退出前 delete 或者使用 std::unique_ptr 自动释放。

通过以上方法，开发者可以根据项目的编译环境、性能需求以及维护成本来选择最合适的单例实现方式。

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