如何在C++中实现线程安全的单例模式？

2026-01-10 作者 stdcpp

在多线程环境中，单例模式常用于共享资源，例如日志系统或数据库连接池。实现线程安全的单例有几种常见做法，下面详细介绍两种最常用且简洁的实现方式，并比较它们的优缺点。

1. C++11 `std::call_once` + `std::once_flag`

C++11 引入了 std::call_once 与 std::once_flag，可保证某个函数仅被调用一次，即使在多线程竞争时也不需要手动加锁。

#include <mutex>
#include <memory>

class Logger {
public:
    static Logger& instance() {
        std::call_once(initFlag, [](){ instancePtr.reset(new Logger); });
        return *instancePtr;
    }

    void log(const std::string& msg) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        // 简单示例：直接输出
        std::cout << msg << std::endl;
    }

private:
    Logger() = default;
    ~Logger() = default;
    Logger(const Logger&) = delete;
    Logger& operator=(const Logger&) = delete;

    static std::once_flag initFlag;
    static std::unique_ptr <Logger> instancePtr;
    std::mutex mtx;
};

std::once_flag Logger::initFlag;
std::unique_ptr <Logger> Logger::instancePtr = nullptr;

优点

简洁：不需要显式锁，减少代码量。
性能：std::call_once 内部实现为原子操作，开销低。
线程安全：在任何线程中调用 instance() 都是安全的。

缺点

无法自定义销毁顺序：对象会在程序退出时被自动销毁，若有依赖关系需手动管理。

2. 局部静态变量（Meyer’s Singleton）

C++11 起，局部静态变量的初始化是线程安全的。只需将实例定义为局部静态即可。

class Config {
public:
    static Config& instance() {
        static Config instance;  // C++11 保证线程安全
        return instance;
    }

    // 读取配置
    std::string get(const std::string& key) const {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        auto it = data.find(key);
        return it != data.end() ? it->second : "";
    }

    void set(const std::string& key, const std::string& value) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        data[key] = value;
    }

private:
    Config() = default;
    ~Config() = default;
    Config(const Config&) = delete;
    Config& operator=(const Config&) = delete;

    std::unordered_map<std::string, std::string> data;
    mutable std::mutex mtx;
};

优点

代码最简：不需要额外的 once_flag 或手动锁。
天然延迟初始化：首次调用时才会构造，避免不必要的开销。

缺点

无法显式销毁：如果对象的析构顺序重要，需要特殊处理（例如使用 std::shared_ptr 或 std::unique_ptr 与自定义销毁器）。
不易单元测试：全局状态难以重置。

3. 比较与实践建议

方案	线程安全性	成本	可维护性	适用场景
`call_once` + `once_flag`	✅	低	✅	需要显式控制初始化与销毁
局部静态（Meyer’s）	✅	极低	✅	只需一次构造，销毁无关紧要

多线程竞争激烈：优先使用 std::call_once，可以在需要时再做销毁控制。
简单工具类：局部静态即可，代码更简洁。

4. 小结

实现线程安全单例最推荐的方式是利用 C++11 标准库的 std::call_once 与 std::once_flag，它既保证了单次初始化，又避免了显式加锁的复杂性。若项目对销毁顺序无特别需求，局部静态变量（Meyer’s Singleton）也是一种极简且高效的选择。无论采用哪种方式，都需要注意对内部成员的访问同步，避免在单例方法之外出现竞争。

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