**如何在C++中实现一个线程安全的单例模式**

作者

在现代C++中，单例模式仍然是解决“全局唯一实例”问题的一种常见手段。相比传统的懒加载实现，C++11之后提供的线程安全静态局部变量以及std::call_once/std::once_flag可以让我们轻松实现线程安全的单例。下面将从几种实现方式展开讨论，并说明它们各自的优缺点。

1. 静态局部变量（Meyer’s Singleton）

class Singleton {
public:
    static Singleton& instance() {
        static Singleton inst;   // C++11保证线程安全
        return inst;
    }
    // 禁止拷贝与移动
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
    Singleton(Singleton&&) = delete;
    Singleton& operator=(Singleton&&) = delete;
private:
    Singleton() = default;
    ~Singleton() = default;
};

  • 优点

    • 代码最简洁；只需一个static变量。
    • 由于编译器在第一次调用instance()时执行一次初始化，保证了线程安全。
    • 对象在程序结束时自动销毁，无需手动管理生命周期。

  • 缺点

    • 若程序中存在“顺序销毁”问题（比如全局对象依赖单例），在程序退出时可能导致未定义行为。
    • 不能在单例构造时抛异常而让程序安全退出；异常会导致全局析构顺序混乱。

2. std::call_once 与 std::once_flag

class Singleton {
public:
    static Singleton& instance() {
        std::call_once(initFlag_, []() {
            instance_.reset(new Singleton);
        });
        return *instance_;
    }
    // 其余禁止拷贝/移动与构造/析构同上
private:
    Singleton() = default;
    ~Singleton() = default;
    static std::unique_ptr <Singleton> instance_;
    static std::once_flag initFlag_;
};

std::unique_ptr <Singleton> Singleton::instance_;
std::once_flag Singleton::initFlag_;

  • 优点

    • 可以在单例构造时执行复杂逻辑（如读取配置文件、打开网络连接）并处理异常。
    • 对象的创建与销毁都受unique_ptr控制，更容易与其他资源共同管理。
    • call_once在多线程场景下仍然保证一次性初始化。

  • 缺点

    • 代码稍微繁琐，需要手动维护std::once_flag与std::unique_ptr。
    • 依旧存在顺序销毁问题，但可以通过在单例内部使用std::shared_ptr或显式销毁来缓解。

3. 线程本地单例（TLS）

如果你需要在每个线程中拥有自己的单例实例，可使用线程局部存储（TLS）：

class ThreadSingleton {
public:
    static ThreadSingleton& instance() {
        thread_local ThreadSingleton inst;
        return inst;
    }
    // 同上禁拷贝/移动与构造/析构
private:
    ThreadSingleton() = default;
    ~ThreadSingleton() = default;
};
  • 适用场景
    • 需要在多线程环境下隔离状态，避免竞争。
    • 当单例维护线程相关信息（如日志文件句柄、线程ID等）时特别有用。

4. 对比与选择

实现方式 线程安全 延迟加载 析构顺序 代码简洁度
静态局部 ✔ ✔ 受限 极简
call_once ✔ ✔ 可控 中等
TLS ✔ ✔ 受限 极简
  • 如果你只需要一个全局唯一实例，并且不在乎程序退出时的析构顺序，Meyer’s Singleton是最好的选择。
  • 如果单例需要在构造时执行可能抛异常的逻辑，或想在退出时显式销毁，则建议使用std::call_once方案。
  • 如果单例需要在每个线程中独立存在，则使用TLS实现。

5. 进阶：多态单例与工厂模式

在某些大型项目中，单例往往需要实现不同的子类，例如日志系统可能有文件日志、网络日志等。可以在单例内部采用工厂模式：

class Logger {
public:
    virtual void log(const std::string& msg) = 0;
    virtual ~Logger() = default;
};

class FileLogger : public Logger { /* ... */ };
class NetworkLogger : public Logger { /* ... */ };

class LoggerFactory {
public:
    static Logger* create(const std::string& type) {
        if (type == "file") return new FileLogger;
        if (type == "network") return new NetworkLogger;
        return nullptr;
    }
};

class LoggerSingleton {
public:
    static LoggerSingleton& instance() {
        static LoggerSingleton inst;
        return inst;
    }
    Logger& getLogger() { return *logger_; }
private:
    LoggerSingleton() : logger_(LoggerFactory::create("file")) {}
    ~LoggerSingleton() { delete logger_; }
    Logger* logger_;
    // 禁止拷贝/移动
    LoggerSingleton(const LoggerSingleton&) = delete;
    LoggerSingleton& operator=(const LoggerSingleton&) = delete;
};

这样既保持了单例的全局唯一性，又支持多态的实现细节。

6. 小结

C++11后，单例实现比以往更安全、更简洁。通过static局部变量即可保证线程安全，若需要更细粒度的控制，std::call_once/std::once_flag提供了更灵活的手段。理解不同实现的权衡点，才能在项目中选择最合适的单例方案。

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