什么时候应该使用C++单例模式线程安全实现与适用场景分析-C++-PHP中文网

什么时候应该使用C++单例模式线程安全实现与适用场景分析

P粉602998670

发布： 2025-07-18 09:07:01

原创

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单例模式用于确保一个类在整个程序运行期间只有一个实例。它适用于需要全局唯一资源管理、配置中心或控制硬件设备的场景，但应避免过度使用以防止代码耦合和测试困难。实现方式包括：1. 懒汉式（线程安全，延迟初始化，需加锁）；2. 饿汉式（程序启动时创建，无需加锁）；3. meyers' singleton（利用c++++11静态局部变量线程安全，简洁推荐）。此外，需防范反射、序列化及多线程破坏单例，并注意在需要多实例、依赖注入或测试困难时避免使用该模式。游戏引擎中常用于资源、输入和日志管理器。

什么时候应该使用C++单例模式线程安全实现与适用场景分析

单例模式，简单来说，就是确保一个类在整个程序运行期间只有一个实例。什么时候用？嗯，当我们需要一个全局唯一的资源管理器、配置中心，或者需要控制某些硬件设备时，单例模式就派上用场了。但要注意，过度使用单例可能会导致代码耦合度过高，测试困难，所以要谨慎。

解决方案：

单例模式的核心在于控制实例的创建，并提供一个全局访问点。在 C++ 中，实现单例模式有几种常见方法，但线程安全是必须要考虑的。

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1. 懒汉式（Lazy Initialization） - 线程安全

这是最常见的单例模式实现方式。延迟初始化，只有在第一次使用时才创建实例。为了保证线程安全，需要使用互斥锁。

#include <iostream>
#include <mutex>

class Singleton {
private:
    Singleton() {
        std::cout << "Singleton created!" << std::endl;
    }
    ~Singleton() {
        std::cout << "Singleton destroyed!" << std::endl;
    }
    static Singleton* instance;
    static std::mutex mutex;

public:
    static Singleton* getInstance() {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex); // RAII 风格的锁
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

    void doSomething() {
        std::cout << "Singleton is doing something..." << std::endl;
    }

    // 禁止拷贝构造和赋值
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};

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

int main() {
    Singleton* s1 = Singleton::getInstance();
    s1->doSomething();
    Singleton* s2 = Singleton::getInstance(); // 返回同一个实例
    return 0;
}

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关键点：

instance 是静态成员变量，用于保存唯一的实例。
mutex 是互斥锁，用于保证线程安全。
getInstance() 是静态方法，用于获取单例实例。使用了 std::lock_guard，确保在离开作用域时自动释放锁，防止死锁。
拷贝构造函数和赋值运算符被删除，防止通过拷贝创建新的实例。

2. 饿汉式（Eager Initialization）

在程序启动时就创建实例，简单粗暴，但线程安全。

#include <iostream>

class Singleton {
private:
    Singleton() {
        std::cout << "Singleton created!" << std::endl;
    }
    ~Singleton() {
        std::cout << "Singleton destroyed!" << std::endl;
    }
    static Singleton instance; // 直接初始化

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

    void doSomething() {
        std::cout << "Singleton is doing something..." << std::endl;
    }

    // 禁止拷贝构造和赋值
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};

Singleton Singleton::instance; // 静态成员变量定义

int main() {
    Singleton* s1 = Singleton::getInstance();
    s1->doSomething();
    Singleton* s2 = Singleton::getInstance(); // 返回同一个实例
    return 0;
}

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关键点：

instance 在类定义时直接初始化。
不需要互斥锁，天然线程安全。

3. Meyers' Singleton

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利用 C++11 的静态局部变量线程安全特性。这是我个人比较推荐的方式，代码简洁且线程安全。

#include <iostream>

class Singleton {
private:
    Singleton() {
        std::cout << "Singleton created!" << std::endl;
    }
    ~Singleton() {
        std::cout << "Singleton destroyed!" << std::endl;
    }

public:
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance; // 静态局部变量，C++11 保证线程安全
        return instance;
    }

    void doSomething() {
        std::cout << "Singleton is doing something..." << std::endl;
    }

    // 禁止拷贝构造和赋值
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};

int main() {
    Singleton& s1 = Singleton::getInstance();
    s1.doSomething();
    Singleton& s2 = Singleton::getInstance(); // 返回同一个实例
    return 0;
}

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