**如何在 C++17 中实现线程安全的单例模式？**

作者

在 C++17 及更高版本中，单例模式的实现可以非常简洁且天然线程安全。下面给出一种推荐的实现方式，并解释其线程安全性以及潜在的优化点。

1. 只需要一个静态局部对象

class Singleton {
public:
    // 禁止复制和移动
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
    Singleton(Singleton&&) = delete;
    Singleton& operator=(Singleton&&) = delete;

    static Singleton& instance() {
        static Singleton instance;   // C++11 起线程安全的初始化
        return instance;
    }

    void do_something() {
        // 业务代码
    }

private:
    Singleton() = default;          // 私有构造
    ~Singleton() = default;
};

为什么这段代码线程安全？

  • 静态局部变量初始化：从 C++11 起，编译器保证对静态局部变量的初始化是 线程安全 的。若多个线程同时调用 Singleton::instance()，编译器会使用内部锁确保只会有一次真正的构造过程，并且在所有线程看到对象之前，该对象已经完全初始化。

  • 只读访问：所有线程获取到的 Singleton& 引用后，只能通过 do_something() 等方法访问内部数据。如果 do_something() 本身不是线程安全的，则需要在方法内部添加同步机制（如 std::mutex）。

2. 延迟销毁（可选）

C++11 对象的销毁时机不确定，可能在程序退出时不被调用。若你需要显式销毁（例如释放资源），可以使用 std::unique_ptr 与 std::weak_ptr 的组合： 

class Singleton {
public:
    static std::shared_ptr <Singleton> instance() {
        static std::shared_ptr <Singleton> ptr(new Singleton, [](Singleton* p){ delete p; });
        return ptr;
    }
    // ...
};

这里 std::shared_ptr 会在程序结束时自动销毁对象，且使用自定义 deleter 可以做更细粒度的资源释放。

3. 性能优化：无锁访问（读多写少）

如果单例对象在大多数时间只读，写入很少，可以采用 std::atomic<std::shared_ptr<Singleton>> 或 std::shared_mutex 的组合，以减少锁竞争。示例： 

class Singleton {
public:
    static Singleton& instance() {
        static Singleton instance;
        return instance;
    }

    void update_config(const Config& cfg) {
        std::unique_lock lock(mutex_);
        config_ = cfg;
    }

    Config get_config() const {
        std::shared_lock lock(mutex_);
        return config_;
    }
private:
    mutable std::shared_mutex mutex_;
    Config config_;
};
  • std::shared_mutex 允许多个读线程同时访问，而写线程则独占。
  • 只在真正需要修改时获取写锁，读操作几乎无锁。

4. 常见坑点

  1. 双重检查锁定（Double-Checked Locking）：在 C++11 之前，这种模式因为内存可见性问题而不安全。
  2. 构造函数抛异常：如果构造函数抛出异常，static 变量的初始化会被标记为失败，下次再尝试时会重新抛出。
  3. 全局析构顺序：如果单例依赖其他全局对象，可能在析构时产生依赖错误。使用 std::atexit 或 std::shared_ptr 解决。

5. 小结

  • 在 C++17 及以上版本中，最简单、最安全的单例实现就是使用 static 局部变量。
  • 对于需要显式销毁或更细粒度的线程同步，可结合 std::shared_ptr、std::shared_mutex 等工具。
  • 关注异常安全和资源释放顺序，避免全局析构问题。

通过以上技巧，你可以在现代 C++ 中轻松、安全、高效地实现单例模式。

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