如何在C++中实现一个线程安全的单例模式？

作者

在多线程环境下，单例模式常被用来确保某个类只有一个实例并提供全局访问点。传统的单例实现使用静态局部变量或双重检查锁定（Double-Check Locking）等手段，但若不小心会导致线程安全问题或性能瓶颈。下面将介绍几种在C++17及以后版本中实现线程安全单例的常见做法，并对比它们的优缺点。

1. 静态局部变量（C++11后的保证）

class Singleton {
public:
    static Singleton& instance() {
        static Singleton instance;   // C++11后，函数内部静态变量初始化是线程安全的
        return instance;
    }
    // 其他成员函数
private:
    Singleton() = default;
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};

优点

  • 简单、易读。
  • 只会在第一次调用 instance() 时创建对象，后续调用无额外开销。
  • C++标准保证初始化线程安全（从C++11开始）。

缺点

  • 若程序需要在退出前销毁单例，静态局部变量在程序结束时会按创建顺序析构，若存在多线程析构调用，仍需小心。
  • 无法在编译期或运行时延迟实例化（虽然静态局部变量已实现延迟，但无法在构造函数中做更复杂的初始化策略）。

2. std::call_once + std::unique_ptr

class Singleton {
public:
    static Singleton& instance() {
        std::call_once(initFlag, [](){ instancePtr.reset(new Singleton); });
        return *instancePtr;
    }
private:
    Singleton() = default;
    static std::once_flag initFlag;
    static std::unique_ptr <Singleton> instancePtr;
};
std::once_flag Singleton::initFlag;
std::unique_ptr <Singleton> Singleton::instancePtr;

优点

  • 与静态局部变量相似，保证线程安全。
  • unique_ptr 让对象析构更加明确，可在需要时主动销毁。

缺点

  • 需要手动管理 instancePtr，代码略显冗长。
  • 与 static 变量相比，std::unique_ptr 的析构顺序更加可控，但如果出现多个 call_once 的初始化逻辑，可能会出现竞争。

3. Meyers 单例（C++03 版本）

如果你的编译环境不支持 C++11，你可以使用 Meyers 单例实现，它利用 static 本地变量的静态初始化来保证单例。C++03 并不保证多线程安全，但在大多数编译器实现中，初始化仍然是线程安全的（但不保证规范）。如果需要保证线程安全，可以配合 pthread_once 或 Windows InitOnceExecuteOnce。

4. 模板实现（更灵活的单例）

template<typename T>
class Singleton {
public:
    static T& getInstance() {
        static T instance;
        return instance;
    }
protected:
    Singleton() = default;
    ~Singleton() = default;
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};

使用示例：

class MyService : public Singleton <MyService> {
    friend class Singleton <MyService>;
    MyService() = default;
public:
    void doWork() {}
};

优点

  • 通过继承实现多种单例类，代码复用性高。
  • 仍利用 static 本地变量保证线程安全。

5. 细节与陷阱

场景 推荐实现 说明
简单单例，生命周期由程序管理 静态局部变量 最简洁，几乎没有开销
需要在特定时机销毁单例 call_once + unique_ptr 可以主动销毁，避免析构顺序问题
编译环境低于 C++11 Meyers 单例 + 线程同步 结合 pthread_once 或 std::once_flag
需要通用单例基类 模板实现 支持多种单例类

6. 小结

在 C++17 及以后版本中，静态局部变量实现已是最推荐的线程安全单例方案，既符合现代 C++ 的语义，又易于维护。若你需要更细粒度的控制（如手动销毁、特定初始化顺序），可以选择 std::call_once 或模板实现。无论选择哪种方案，记得：

  1. 不要让单例持有可被其他线程修改的全局状态，否则单例本身不再安全。
  2. 遵循 RAII，在单例中使用智能指针或局部对象来管理资源。
  3. 测试多线程访问，尤其是在高并发环境下，验证初始化和析构是否正常。

通过上述方法，你可以在 C++ 中实现一个既安全又高效的单例模式，满足大多数项目对全局唯一实例的需求。

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