如何在现代 C++（C++17/20）中实现线程安全的单例模式？
正文：
在多线程环境下，单例模式常用于共享资源（如日志器、配置管理器、数据库连接池等）。传统的单例实现容易产生竞争条件或双重检查锁定（Double-Check Locking）缺陷。自 C++11 起，标准库提供了对线程安全的静态局部变量初始化的保证，结合 std::call_once，我们可以轻松实现高效且安全的单例。
下面给出一个完整的实现示例，并说明其工作原理、性能特点以及常见误区。
1. 需求分析
- 单例对象：只能有一个实例。
- 懒加载：对象在第一次使用时才创建。
- 线程安全：多线程并发访问时不会产生竞态。
- 高性能：创建后每次访问不需要加锁。
2. 关键技术点
-
局部静态变量
- C++11 之后，局部静态变量的初始化是线程安全的。第一次进入作用域时，编译器会生成必要的同步代码。
- 适合懒加载，避免一次性构造全局对象导致的“静态初始化顺序问题”。
-
std::call_once与std::once_flag- 通过
std::call_once可以在多线程环境中保证某个函数只被调用一次，常用于实现单例或延迟初始化。 - 与
std::once_flag配合使用。
- 通过
-
构造函数私有化
- 防止外部直接实例化，保持单例完整性。
-
删除拷贝与移动构造
- 防止复制或移动导致多个实例。
3. 代码实现
// singleton.hpp
#pragma once
#include <mutex>
#include <memory>
#include <iostream>
// 线程安全的单例模板（C++17 兼容）
template <typename T>
class Singleton
{
public:
// 获取单例实例（引用）
static T& instance()
{
// 1. 静态局部变量，保证懒加载且线程安全
static std::once_flag init_flag;
static std::unique_ptr <T> ptr;
// 2. 仅初始化一次
std::call_once(init_flag, []{
ptr = std::make_unique <T>();
});
return *ptr;
}
// 禁止拷贝构造和移动构造
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
Singleton(Singleton&&) = delete;
Singleton& operator=(Singleton&&) = delete;
protected:
Singleton() = default;
~Singleton() = default;
};
// 业务类示例：日志器
class Logger : private Singleton <Logger>
{
friend class Singleton <Logger>; // 允许 Singleton 访问构造函数
public:
void log(const std::string& msg)
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
std::cout << "[LOG] " << msg << std::endl;
}
private:
Logger() { std::cout << "Logger constructed\n"; }
std::mutex mutex_;
};使用方式
#include "singleton.hpp"
#include <thread>
void worker(int id)
{
auto& logger = Logger::instance(); // 线程安全获取
logger.log("Worker " + std::to_string(id) + " started");
}
int main()
{
std::thread t1(worker, 1);
std::thread t2(worker, 2);
std::thread t3(worker, 3);
t1.join(); t2.join(); t3.join();
return 0;
}运行结果（示例）
Logger constructed
[LOG] Worker 1 started
[LOG] Worker 2 started
[LOG] Worker 3 started4. 细节说明
-
构造顺序
- 由于使用
std::once_flag与std::call_once，ptr的初始化在第一次调用instance()时完成，避免了静态初始化顺序错误（static initialization order fiasco）。
- 由于使用
-
异常安全
- 如果
T的构造函数抛异常，std::call_once会再次尝试调用，直至成功为止。
- 如果
-
销毁时机
- `unique_ptr ` 的析构会在程序结束时自动销毁单例实例。若需自定义销毁时机，可将 `ptr` 替换为 `shared_ptr` 或手动管理。
-
性能
- 第一次调用需要
std::call_once的同步；随后调用只需访问静态局部变量，无需加锁，几乎无开销。
- 第一次调用需要
-
多继承
- 如果业务类多继承自多个单例，可能导致二义性。可使用 CRTP（Curiously Recurring Template Pattern）或
std::shared_ptr的组合方式解决。
- 如果业务类多继承自多个单例，可能导致二义性。可使用 CRTP（Curiously Recurring Template Pattern）或
5. 常见误区
| 误区 | 说明 |
|---|---|
| 使用宏实现单例 | 宏无法捕获异常，缺乏类型安全，难以维护。 |
| 单例作为全局对象 | 可能导致全局初始化顺序问题。 |
| 手动加锁 | 过度加锁会导致性能下降；正确使用 std::call_once 可避免。 |
| 未删除拷贝构造 | 允许复制会破坏单例。 |
| 在 C++11 之前使用局部静态 | 不是线程安全，需使用 std::call_once 或其他同步。 |
6. 进一步阅读
- Herb Sutter，“C++ Concurrency in Action”（第 3 章：单例与懒加载）
- Bjarne Stroustrup，“The C++ Programming Language”（第 13 章：单例模式）
- ISO C++ 标准草案（[N4861]）关于 “statics” 的线程安全保证
结语
通过结合 C++11 的线程安全局部静态初始化与 std::call_once，我们可以在不牺牲性能的前提下，实现高效且安全的单例。只需遵循上述模板，即可在任何业务类中快速部署单例模式，减少手工同步的麻烦，让代码更简洁、可靠。