C++如何实现单例模式_C++设计模式之Singleton的线程安全实现

单例模式确保类唯一实例并提供全局访问点。C++中推荐使用局部静态变量实现线程安全单例，因C++11保证其初始化线程安全，兼具简洁高效特性，优于饿汉式、手动加锁或双重检查锁定方式。

单例模式（Singleton）确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。在C++中实现线程安全的单例模式，尤其是在多线程环境下避免竞态条件，是实际开发中的常见需求。

饿汉式（Eager Initialization）

饿汉式在程序启动时就创建实例，天然线程安全，因为没有延迟初始化的竞争问题。

示例代码：

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class Singleton {
private:
    static Singleton instance;
    Singleton() = default;
public:
    static Singleton& getInstance() {
        return instance;
    }
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};
// 静态成员定义
Singleton Singleton::instance;

懒汉式 + 局部静态变量（C++11 起线程安全）

C++11 标准规定：函数内的局部静态变量初始化是线程安全的。这是最推荐的方式，简洁且高效。

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示例代码：

class Singleton {
private:
    Singleton() = default;
public:
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance;  // C++11 线程安全
        return instance;
    }
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};

手动加锁实现（适用于旧标准）

在C++11之前，或需要更复杂的控制时，可使用互斥锁实现延迟初始化。

示例代码：

#include 
class Singleton {
private:
static std::unique_ptr instance;
static std::mutex mtx;
Singleton() = default;
public:
static Singleton& getInstance() {
std::lock_guard lock(mtx);
if (!instance) {
instance = std::make_unique();
}
return *instance;
}
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};
// 静态成员定义
std::unique_ptr Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mtx;

双重检查锁定（Double-Checked Locking）

减少锁竞争，只在第一次初始化时加锁。C++中需配合 std::atomic 和内存屏障使用。

示例代码：

#include 
#include 
class Singleton {
private:
static std::atomic> instance;
static std::mutex mtx;
Singleton() = default;
public:
static Singleton& getInstance() {
Singleton ptr = instance.load(std::memory_order_relaxed);
if (ptr == nullptr) {
std::lock_guard lock(mtx);
ptr = instance.load(std::memory_order_relaxed);
if (ptr == nullptr) {
ptr = new Singleton();
instance.store(ptr, std::memory_order_relaxed);
}
}
return *ptr;
}
Singleton(const Singleton&) = delete;
Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};
// 静态成员定义
std::atomic Singleton::instance{nullptr};
std::mutex Singleton::mtx;

基本上就这些。现代C++中，推荐使用局部静态变量实现线程安全的单例，简洁、高效、安全。