什么是C++中的单例模式如何实现线程安全的单例设计-C++-PHP中文网

什么是C++中的单例模式如何实现线程安全的单例设计

P粉602998670

发布： 2025-07-16 12:07:02

原创

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单例模式是一种确保一个类只有一个实例并提供全局访问点的设计模式。实现c++++中线程安全的单例模式主要有以下方式：1. 饿汉式：程序启动时创建实例，简单但可能影响启动速度；2. 懒汉式：首次使用时创建，需处理线程安全问题；3. 双重检查锁定：通过加锁前后两次检查减少锁竞争，但存在指令重排序风险；4. std::call_once：利用c++11特性保证初始化函数只执行一次，更安全可靠；5. 静态局部变量：由c++保证初始化一次，简洁且线程安全，推荐使用。单例模式适用于资源管理器、配置管理器、日志记录器、唯一id生成器等场景。其优点包括节省资源、全局访问和可控性，缺点是违反单一职责、测试困难、扩展性差及可能资源泄漏。为避免滥用，应仅在必要时使用，考虑依赖注入，避免存储可变状态，并注意生命周期管理。

什么是C++中的单例模式如何实现线程安全的单例设计

单例模式是一种设计模式，确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。线程安全的单例设计，意味着在高并发环境下，多个线程访问单例实例时，不会出现数据竞争或创建多个实例的问题。

解决方案

实现C++中线程安全的单例模式，通常有以下几种方式：

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饿汉式（Eager Initialization）：在程序启动时就创建单例实例。这种方式简单，但如果单例对象初始化耗时较长，可能会影响程序启动速度。

class Singleton {
private:
    Singleton() {}
    Singleton(const Singleton&);
    Singleton& operator=(const Singleton&);
    static Singleton instance; // 静态成员变量，在程序启动时初始化
public:
    static Singleton& getInstance() {
        return instance;
    }
};

Singleton Singleton::instance; // 定义并初始化静态成员变量

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懒汉式（Lazy Initialization）：在第一次使用时才创建单例实例。这种方式可以延迟初始化，但需要考虑线程安全问题。

双重检查锁定（Double-Checked Locking）：在加锁前后都进行实例是否为空的检查，以减少锁的竞争。

#include <mutex>

class Singleton {
private:
    Singleton() {}
    Singleton(const Singleton&);
    Singleton& operator=(const Singleton&);
    static Singleton* instance;
    static std::mutex mutex;
public:
    static Singleton& getInstance() {
        if (instance == nullptr) { // 第一次检查
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
            if (instance == nullptr) { // 第二次检查
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return *instance;
    }
};

Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mutex;

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需要注意的是，在一些编译器和CPU架构下，双重检查锁定可能存在问题，因为编译器可能会对指令进行重排序，导致在 instance = new Singleton() 语句执行过程中，其他线程可能访问到未完全初始化的实例。可以使用volatile关键字来避免指令重排序，但这并不能完全解决所有问题，所以C++11引入了std::call_once来更安全地实现懒汉式单例。

std::call_once：C++11提供的线程安全的初始化机制，保证某个函数只被调用一次。

#include <mutex>

class Singleton {
private:
    Singleton() {}
    Singleton(const Singleton&);
    Singleton& operator=(const Singleton&);
    static Singleton* instance;
    static std::once_flag onceFlag;
public:
    static Singleton& getInstance() {
        std::call_once(onceFlag, []() {
            instance = new Singleton();
        });
        return *instance;
    }
};

Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::once_flag Singleton::onceFlag;

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静态局部变量（Static Local Variable）：利用C++保证静态局部变量只会被初始化一次的特性，实现线程安全的单例。

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```
class Singleton {
private:
    Singleton() {}
    Singleton(const Singleton&);
    Singleton& operator=(const Singleton&);
public:
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance; // 静态局部变量，只会被初始化一次
        return instance;
    }
};
```
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这种方式简洁且线程安全，是推荐的实现方式。