如何在 C++ 中实现线程安全的单例模式（双检锁）

2026-01-13 作者 stdcpp

在多线程环境下，单例模式常被用来保证全局资源的唯一性。实现线程安全的单例需要仔细处理对象创建与访问的同步。下面给出一种常见且高效的实现——双检锁（Double-Checked Locking）方案，并说明其细节与可能的陷阱。

1. 需求与挑战

唯一性：保证同一进程内只创建一个实例。
懒加载：首次访问时才创建实例，避免不必要的开销。
线程安全：多线程并发访问时不能导致多次实例化。
性能：避免每次访问都进行昂贵的互斥操作。

2. 双检锁实现（C++11 以上）

#include <mutex>

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

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

private:
    Singleton() {}                     // 私有构造函数
    ~Singleton() { delete instance_; } // 析构时释放

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

// 静态成员初始化
Singleton* Singleton::instance_ = nullptr;
std::mutex Singleton::mutex_;

关键点说明

instance_ 的声明：使用裸指针配合 nullptr 判断；C++11 起的 std::atomic 也可用于更细粒度的原子操作。
第一次检查：快速路径，无锁访问，提高并发性能。
锁保护：仅在需要创建实例时才加锁，减少竞争。
第二次检查：确保在竞争时只有第一个线程真正创建实例。

3. 可能的陷阱

陷阱	说明	解决方案
指令重排	编译器或处理器可能在实例化过程中重新排列指令，导致 `instance_` 在构造完成前就被写入，其他线程看到非空但未完成的对象。	① 在 C++11 以上使用 `std::atomic<Singleton>` 并配合 `memory_order_acquire/release`。 ② 采用 Meyers Singleton*（局部静态变量）方式，C++11 规范保证线程安全且不易受重排影响。
析构时机	静态全局对象的析构顺序不确定，可能导致 `instance_` 在 `main` 结束前已被销毁。	使用 Meyers Singleton，静态局部对象会在程序退出时安全销毁，或者手动控制生命周期。
多线程并发创建	旧版 C++ 语义下，两个线程可能同时通过第一次检查进入 `if`，导致两次实例化。	上述双检锁代码已通过 `mutex_` 解决；若使用 C++11 `std::call_once` 则更简洁。

4. 更简洁的实现（C++11 之后）

class Singleton {
public:
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance; // C++11 确保线程安全
        return instance;
    }
private:
    Singleton() {}
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};

该实现利用 函数内部静态变量 的特性，编译器自动处理初始化同步，避免手写锁。若需手动控制销毁时间，可配合 std::shared_ptr 或 std::unique_ptr。

5. 何时使用双检锁？

性能敏感：需要在高并发读场景下减少锁开销。
老旧编译器：不支持 C++11 静态局部初始化线程安全。
自定义销毁：想在程序退出前显式销毁单例。

6. 小结

双检锁实现虽然在 C++11 之后不再是首选，但在一些特殊需求（如需要手动销毁或旧环境）下仍有价值。正确使用 std::atomic 或 std::call_once 能显著提升代码的可靠性与可读性。掌握这些模式后，你可以在多线程 C++ 项目中安全、有效地实现全局唯一实例。

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