在现代 C++（C++11 及以后）中，编译器已经为局部静态变量提供了线程安全的初始化机制。利用这一特性，我们可以轻松实现一个线程安全且懒加载的单例。下面给出完整的实现示例，并详细说明其工作原理与常见的陷阱。
1. 单例的基本结构
class Logger
{
public:
// 获取单例实例
static Logger& instance()
{
static Logger logger; // C++11 之后的线程安全初始化
return logger;
}
// 删除拷贝构造和赋值运算符，防止复制
Logger(const Logger&) = delete;
Logger& operator=(const Logger&) = delete;
void log(const std::string& msg)
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
std::cout << "[" << std::this_thread::get_id() << "] " << msg << '\n';
}
private:
Logger() { /* 可能的资源初始化 */ }
~Logger() { /* 清理资源 */ }
std::mutex mutex_;
};关键点说明
-
局部静态变量
static Logger logger;在第一次调用instance()时才会被构造。C++11 起，编译器保证此初始化是 线程安全 的，即使多线程同时访问也不会出现竞争条件。 -
禁止复制
通过delete拷贝构造和赋值运算符，防止外部错误复制单例实例。 -
线程同步
log()方法使用std::lock_guard<std::mutex>对内部操作进行互斥，确保日志输出不被打乱。
2. 为什么不使用传统的 new + static pointer 方案？
传统实现往往像这样：
class LegacySingleton {
public:
static LegacySingleton* getInstance() {
if (!instance_) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
if (!instance_) instance_ = new LegacySingleton();
}
return instance_;
}
private:
static LegacySingleton* instance_;
static std::mutex mutex_;
};缺点：
- 双重检查锁（Double-Checked Locking） 在某些编译器/平台上仍有数据竞争风险。
- 资源泄漏：如果
instance_没有在进程退出时释放，可能导致内存泄漏。 - 复杂性：需要手动管理对象生命周期，容易出错。
3. 何时需要手动销毁？
如果你想在程序结束时显式销毁单例（比如为单例释放非托管资源），可以使用 std::unique_ptr 或在 atexit 里注册销毁函数：
class Logger {
public:
static Logger& instance() {
static Logger* logger = new Logger(); // 手动 new
static bool destroyed = false;
if (!destroyed) {
std::atexit([]{ delete logger; destroyed = true; });
}
return *logger;
}
...
};但在大多数情况下，直接使用局部静态变量即可，编译器会在程序退出时自动销毁。
4. 常见陷阱与最佳实践
| 场景 | 陷阱 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 多线程首次调用 | 未考虑编译器实现细节导致非线程安全 | 依赖 C++11 之后的标准，使用局部静态变量 |
| 延迟初始化 | 需要在单例构造时访问全局状态 | 通过构造函数参数或 std::call_once 延迟加载 |
| 跨模块共享 | 单例在不同动态库中可能出现多份 | 使用共享库统一提供单例接口，或使用 inline 关键字在头文件中定义 |
| 异常安全 | 构造函数抛异常导致实例未初始化 | 确保构造函数不抛异常，或使用 std::unique_ptr + try/catch |
5. 小结
- 现代 C++（C++11+）提供了线程安全的局部静态变量初始化，极大简化了单例实现。
- 禁止复制和赋值，使用互斥锁保证成员函数线程安全。
- 若需要手动销毁，使用
std::atexit或std::unique_ptr结合call_once。 - 避免传统的双重检查锁模式，减少潜在的并发错误。
通过上述方式，你可以在任何 C++ 项目中安全、简洁地实现线程安全的懒初始化单例。