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c++如何实现单例模式 c++设计模式之单例【实例】

冰火之心

冰火之心

发布时间:2025-12-23 17:09:28

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来源于php中文网

原创

最推荐静态局部变量实现单例:C++11保证线程安全、懒加载、自动析构;禁用拷贝赋值;模板基类可复用但需注意友元与虚析构;避免错误的双重检查锁定。

c++如何实现单例模式 c++设计模式之单例【实例】

单例模式确保一个类只有一个实例,并提供全局访问点。C++中实现需兼顾线程安全、懒加载、防止拷贝和多态兼容性,推荐使用 C++11 及以后的 静态局部变量方式,简洁且天然线程安全。

最推荐:静态局部变量(C++11 线程安全)

利用 C++11 标准规定:函数内静态局部变量的初始化是线程安全的,且仅执行一次。

class Singleton {
private:
    Singleton() = default;                    // 私有构造
    Singleton(const Singleton&) = delete;     // 禁用拷贝
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; // 禁用赋值

public: static Singleton& getInstance() { static Singleton instance; // 延迟初始化,线程安全 return instance; }

void doSomething() { /* ... */ }

};

  • 无需手动管理内存,自动析构(程序结束时调用析构函数)
  • 首次调用 getInstance() 时才构造,支持懒加载
  • 编译器保证初始化过程原子性,无锁、高效、可移植

支持继承的单例基类(模板方式)

若需多个类共用单例逻辑,可封装为模板基类,但要注意虚析构和派生类构造控制:

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template
class SingletonBase {
protected:
    SingletonBase() = default;
    virtual ~SingletonBase() = default;

public: static T& getInstance() { static T instance; return instance; }

SingletonBase(const SingletonBase&) = delete;
SingletonBase& operator=(const SingletonBase&) = delete;

};

class Logger : public SingletonBase { friend class SingletonBase; private: Logger() = default; // 仍需私有化构造 public: void log(const std::string& msg) { / ... / } };

  • 派生类必须将基类设为 friend 或提供受控构造入口
  • 确保派生类析构函数为 virtual(已由基类声明)
  • 不适用于需要运行时决定具体类型的工厂场景

注意避坑:双检锁(DCLP)在 C++ 中易出错

早期常用“双重检查锁定”实现线程安全懒加载,但在 C++11 前存在重排序问题,即使加 volatile 也不可靠;C++11 后需严格使用 std::atomic 和内存序,代码复杂且易误用。

例如以下写法是**错误的**(可能造成未完全构造的对象被其他线程访问):

// ❌ 错误示例:缺少内存屏障,存在数据竞争
static Singleton* instance = nullptr;
static std::mutex mtx;

Singleton* getInstance() { if (instance == nullptr) { // 第一次检查 mtx.lock(); if (instance == nullptr) { // 第二次检查 instance = new Singleton(); // 可能被重排:指针赋值早于构造完成 } mtx.unlock(); } return instance; }

  • C++11 起应优先用静态局部变量,而非手写 DCLP
  • 若必须用指针 + 动态分配,应配合 std::atomicmemory_order_acquire/release

其他常见变体说明

可根据需求微调:

  • 饿汉式:全局静态对象,在 main 之前构造,线程安全但不懒加载,无法依赖其他全局对象初始化顺序
  • Meyers 单例:即静态局部变量写法,以 Scott Meyers 命名,是当前最佳实践
  • 带参数初始化:静态局部变量不支持传参;如需配置参数,可改用函数参数 + 静态 bool 标志 + 手动初始化,或用 std::call_once 配合 std::once_flag

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