C++单例模式如何实现线程安全版本与双重检查锁定-C++-PHP中文网

C++单例模式如何实现线程安全版本与双重检查锁定

P粉602998670

发布： 2025-08-18 12:36:02

原创

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在c++++中，线程安全的单例模式推荐使用局部静态变量实现，因为c++11保证了静态局部变量初始化的线程安全性，该方法无需手动加锁、代码简洁且自动管理生命周期；若需延迟初始化或传参构造，可采用双重检查锁定结合std::mutex和智能指针的方式，通过外层if减少锁竞争，内层if确保唯一实例创建，利用std::unique_ptr或std::shared_ptr避免内存泄漏；需注意双重检查中两次判空缺一不可，防止竞态条件和性能下降，同时避免裸new和手动delete，优先使用raii机制管理资源，确保在多线程环境下安全可靠地创建唯一实例。

C++单例模式如何实现线程安全版本与双重检查锁定

在C++中，单例模式（Singleton Pattern）是一种常见的设计模式，用于确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。在多线程环境下，必须保证单例的构造是线程安全的。双重检查锁定（Double-Checked Locking Pattern, DCLP）是一种常用的实现方式，但需要小心处理以避免竞态条件。

下面介绍如何实现一个线程安全的单例模式，重点讲解双重检查锁定的正确写法。

1. 懒汉式 + 双重检查锁定（C++11 及以后推荐写法）

从 C++11 开始，标准引入了静态局部变量的线程安全性保证，这使得实现线程安全单例变得非常简单。但如果你仍想使用双重检查锁定（比如需要延迟初始化且不依赖静态变量），可以如下实现：

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#include <mutex>

class Singleton {
public:
    // 获取单例实例
    static Singleton* getInstance() {
        // 第一次检查：避免不必要的加锁
        if (instance == nullptr) {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
            // 第二次检查：确保只有一个线程创建实例
            if (instance == nullptr) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }

    // 禁用拷贝构造和赋值
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

private:
    Singleton() = default;  // 私有构造函数

    static Singleton* instance;
    static std::mutex mutex_;
};

// 静态成员定义
Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mutex_;

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关键点说明：

双重检查：外层
```
if
```
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避免每次调用都加锁，提高性能。
mutex 保护：确保多线程下只有一个线程能进入创建实例的代码块。
new 动态分配：注意需要手动管理内存，或结合智能指针。

⚠️ 注意：在 C++11 之前，这种写法可能因为内存模型问题存在风险（如指令重排导致返回未完全构造的对象）。但在 C++11 及以后，只要使用 std::mutex，配合编译器的内存屏障，是安全的。

2. 更推荐的线程安全实现：局部静态变量（Meyers Singleton）

C++11 标准规定：函数内的静态局部变量初始化是线程安全的。这是最简洁、最安全的单例实现方式。

class Singleton {
public:
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance;  // 线程安全，C++11 起保证
        return instance;
    }

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

private:
    Singleton() = default;
};

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优点：

无需手动加锁，编译器自动保证线程安全。
自动析构（由运行时管理），避免内存泄漏。
代码简洁，不易出错。

缺点：

实例在第一次调用
```
getInstance()
```
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时创建，但具体时机由运行时控制（不过这通常不是问题）。
无法传参构造（如果需要参数初始化，此方法受限）。

3. 使用智能指针 + 双重检查锁定（支持手动控制生命周期）

如果你需要动态创建且希望自动管理内存，可以使用

std::unique_ptr

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或

std::shared_ptr

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：

#include <mutex>
#include <memory>

class Singleton {
public:
    static Singleton& getInstance() {
        if (!instance) {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
            if (!instance) {
                instance = std::make_unique<Singleton>();
            }
        }
        return *instance;
    }

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

private:
    Singleton() = default;

    static std::unique_ptr<Singleton> instance;
    static std::mutex mutex_;
};

std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mutex_;

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注意：返回的是引用，但内部用指针管理。析构仍需注意，
unique_ptr
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在程序结束时会自动释放。

4. 常见误区与注意事项

不要忽略第二次检查：如果去掉内层
```
if
```
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，会导致每次加锁，性能下降。
不要在没有锁的情况下直接使用
new
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：可能多个线程同时创建实例。
避免指令重排问题：在老式编译器中，
```
new
```
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包含分配内存、调用构造函数、赋值给指针三个步骤，可能被重排。C++11 的
```
mutex
```
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和
```
atomic
```
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能避免这个问题。
C++11 起，局部静态变量是安全的：优先使用 Meyers Singleton。