如何在 C++20 中实现一个线程安全的懒加载单例模式？

2026-01-12 作者 stdcpp

在现代 C++（尤其是 C++17 之后）中，实现线程安全且惰性初始化的单例模式已经不再需要复杂的锁机制。标准库提供的 std::call_once、std::once_flag 以及 constexpr 初始化器，结合 std::unique_ptr 或 std::shared_ptr，可以让代码既简洁又高效。下面将从几个关键点展开说明，并给出完整可编译的示例。

1. 单例的核心需求

全局唯一实例：保证同一进程内只能有一个对象实例。
懒加载：第一次访问时才创建实例，避免不必要的资源占用。
线程安全：多线程环境下，实例化过程不会出现竞态条件。
易于使用：调用者不需要关心底层实现细节。

2. C++20 里最简洁的实现方式

#include <iostream>
#include <memory>
#include <mutex>
#include <thread>

class Singleton
{
public:
    // 禁止复制构造和赋值
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

    // 提供全局访问入口
    static Singleton& instance()
    {
        // std::call_once 保证只有一个线程会执行初始化代码
        std::call_once(initFlag_, [] {
            // 这里使用 make_unique，构造函数默认调用
            instance_.reset(new Singleton);
        });
        return *instance_;
    }

    void sayHello() const
    {
        std::cout << "Hello from Singleton! Thread ID: " << std::this_thread::get_id() << '\n';
    }

private:
    Singleton() { std::cout << "Singleton constructed\n"; }
    ~Singleton() { std::cout << "Singleton destroyed\n"; }

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

// 静态成员定义
std::once_flag Singleton::initFlag_;
std::unique_ptr <Singleton> Singleton::instance_ = nullptr;

关键点说明

std::once_flag + std::call_once
这对组合是实现单例懒加载的最标准方式。call_once 会在多线程环境下确保内部 lambda 只被执行一次，无论多少线程同时调用。
std::unique_ptr
用于管理单例对象的生命周期，保证在程序结束时自动销毁。相比裸指针，避免了内存泄漏。
删除拷贝构造与赋值
防止外部误用导致多实例。
线程 ID 输出
在 sayHello 中打印线程 ID，便于验证多线程访问的安全性。

3. 如何使用

void worker()
{
    Singleton::instance().sayHello();
}

int main()
{
    std::thread t1(worker);
    std::thread t2(worker);
    std::thread t3(worker);

    t1.join(); t2.join(); t3.join();

    // 程序结束时，单例会自动析构
    return 0;
}

运行结果类似：

Singleton constructed
Hello from Singleton! Thread ID: 140353219892288
Hello from Singleton! Thread ID: 140353211499584
Hello from Singleton! Thread ID: 140353203106880
Singleton destroyed

可以看到，构造函数只被调用一次，且所有线程都共享同一个实例。

4. 常见误区与注意事项

误区	正确做法
直接使用静态局部变量实现单例	仍然可行，但 `call_once` 更显式，易于阅读。
在 `main` 里手动销毁单例	让 `unique_ptr` 自动析构，避免手动调用可能导致顺序错误。
忽略拷贝/移动构造	通过 `delete` 明确禁止，以防止意外拷贝。

5. 小结

在 C++20 及以上版本中，借助 std::call_once、std::once_flag 与智能指针，可以用极简的代码实现线程安全、懒加载的单例模式。与传统的 static 局部变量或双重检查锁模式相比，现代实现更易读、易维护，且不需要手动处理锁或计数器。只需几行代码即可满足大多数项目的需求。

发表评论取消回复