单例模式通过私有构造函数和静态成员确保类唯一实例，C++中常用Meyers’ Singleton（线程安全、简洁）或双重检查锁（延迟加载、高效）实现，前者推荐优先使用。
单例模式确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。实现的关键在于控制实例的创建，通常通过私有化构造函数和静态成员变量来实现。
解决方案：
C++中实现单例模式有多种方法，以下提供几种常见的实现方式：
1. 懒汉式（线程不安全）
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class Singleton { private: Singleton() {} // 私有构造函数 static Singleton* instance; public: static Singleton* getInstance() { if (instance == nullptr) { instance = new Singleton(); } return instance; } }; Singleton* Singleton::instance = nullptr; // 静态成员变量初始化
这种方式在第一次调用
getInstance()
时才创建实例。 但线程不安全，多个线程可能同时进入
if (instance == nullptr)
，导致创建多个实例。
2. 懒汉式（线程安全，但效率较低）
#include <mutex> class Singleton { private: Singleton() {} static Singleton* instance; static std::mutex mutex; public: static Singleton* getInstance() { std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex); if (instance == nullptr) { instance = new Singleton(); } return instance; } }; Singleton* Singleton::instance = nullptr; std::mutex Singleton::mutex;
使用
std::mutex
保证线程安全，但每次调用
getInstance()
都需要加锁，效率较低。
3. 饿汉式（线程安全）
class Singleton { private: Singleton() {} static Singleton* instance; public: static Singleton* getInstance() { return instance; } }; Singleton* Singleton::instance = new Singleton(); // 在程序启动时创建实例
在程序启动时就创建实例，线程安全，但可能造成资源浪费，如果实例一直没有被使用。
4. Double-Checked Locking（双重检查锁，C++11 之后推荐）
#include <mutex> #include <atomic> class Singleton { private: Singleton() {} static std::atomic<Singleton*> instance; static std::mutex mutex; public: static Singleton* getInstance() { Singleton* tmp = instance.load(std::memory_order_relaxed); if (tmp == nullptr) { std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex); tmp = instance.load(std::memory_order_relaxed); if (tmp == nullptr) { tmp = new Singleton(); instance.store(tmp, std::memory_order_release); } } return tmp; } }; std::atomic<Singleton*> Singleton::instance; std::mutex Singleton::mutex;
这种方式结合了懒汉式和线程安全，只有在实例未创建时才加锁。使用
std::atomic
保证原子性，
std::memory_order_relaxed
和
std::memory_order_release
用于控制内存访问顺序，避免指令重排导致的问题。 C++11之后，这种方式相对较好。
5. Meyers’ Singleton (C++11 推荐)
class Singleton { private: Singleton() {} Singleton(const Singleton&); // Deleted. Singleton& operator=(const Singleton&); // Deleted. public: static Singleton& getInstance() { static Singleton instance; // 局部静态变量，C++11保证线程安全 return instance; } };
利用C++11标准中局部静态变量的线程安全特性，这是最简洁、最推荐的单例模式实现方式。 避免了手动管理锁，代码简洁，易于理解。
单例模式在多线程环境下如何保证线程安全？
上述代码示例中，提供了多种保证线程安全的方式。 核心思路是使用互斥锁（
std::mutex
）或原子操作（
std::atomic
）来防止多个线程同时创建实例。 双重检查锁和 Meyers’ Singleton 是比较推荐的方式，前者在需要延迟加载时使用，后者简洁高效。
单例模式有哪些优缺点？
优点：
- 全局唯一访问点： 方便访问，无需频繁创建和销毁对象。
- 节省资源： 只有一个实例，减少内存占用。
- 方便控制： 可以集中控制实例的创建和销毁。
缺点：
- 违反单一职责原则： 单例类既负责自己的业务逻辑，又负责管理自己的实例。
- 难以测试： 单例类的依赖关系难以模拟，影响单元测试。
- 可能导致全局状态： 单例类的状态可能被多个模块共享，导致难以追踪和调试。
- 不易扩展： 单例类难以扩展，如果需要多个实例，需要修改代码。
如何选择合适的单例模式实现方式？
选择单例模式的实现方式需要考虑以下因素：
- 线程安全： 如果在多线程环境下使用，必须保证线程安全。
- 延迟加载： 如果希望在第一次使用时才创建实例，可以使用懒汉式或双重检查锁。
- 性能： 如果对性能要求较高，可以使用饿汉式或 Meyers’ Singleton。
- 代码简洁性： Meyers’ Singleton 是最简洁的实现方式。
通常情况下，推荐使用 Meyers’ Singleton，除非有特殊需求（例如延迟加载），才考虑其他实现方式。