c++中如何实现单例模式的懒汉与饿汉式_c++线程安全单例实现【汇总】

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c++单例推荐静态局部变量实现:线程安全、懒加载、自动析构;饿汉式启动即构造但浪费资源;DCLP易出错,std::call_once非首选。

c++中如何实现单例模式的懒汉与饿汉式_c++线程安全单例实现【汇总】

饿汉式单例:启动即构造,天然线程安全

饿汉式在程序加载时就完成实例初始化,Static局部变量或全局静态对象main()执行前已构造完毕,不存在多线程竞争问题。但缺点是无论是否用到都会占用资源。

常见写法是用静态成员变量

class Singleton { private:     static Singleton instance;     Singleton() = default; public:     static Singleton& getInstance() { return instance; } };

注意必须在类外定义该静态成员:Singleton Singleton::instance;,否则链接时报undefined reference

更推荐 C++11 起的静态局部变量写法(更简洁、有明确初始化时机):

立即学习C++免费学习笔记(深入)”;

class Singleton { private:     Singleton() = default; public:     static Singleton& getInstance() {         static Singleton instance;  // C++11 guaranteed thread-safe initialization         return instance;     } };

这个版本由编译器保证首次调用getInstance()时线程安全地构造,且只构造一次——本质仍是饿汉语义(延迟到首次调用,但属“懒”得有限),但无需手动管理静态变量定义位置。

懒汉式 + 双重检查锁定(DCLP):手动控制构造时机,需显式加锁

传统懒汉式在getInstance()中判断指针是否为空再new,但多线程下存在竞态:两个线程同时通过第一层if (ptr == nullptr),都进入临界区,可能重复构造。

解决方案是双重检查锁定(double-Checked Locking Pattern),配合std::mutexstd::atomic

  • 第一层检查不加锁,快速返回已有实例
  • 未初始化时加锁,再做第二层检查(防止锁内重复构造)
  • ptr必须声明为std::atomic,避免指令重排导致其他线程看到未构造完成的对象

典型实现:

class Singleton { private:     static std::atomic ptr;     static std::mutex mtx;     Singleton() = default; public:     static Singleton& getInstance() {         Singleton* p = ptr.load(std::memory_order_acquire);         if (p == nullptr) {             std::lock_guard lock(mtx);             p = ptr.load(std::memory_order_relaxed);             if (p == nullptr) {                 p = new Singleton();                 ptr.store(p, std::memory_order_release);             }         }         return *p;     } };

注意:ptr需在类外定义:std::atomic Singleton::ptr{nullptr};std::mutex同理。

漏掉std::memory_order_acquire/release或用错顺序,可能导致其他线程读到部分构造的对象——这是最易被忽略的坑。

C++11 后更推荐:静态局部变量 + 函数内联,省心又安全

上面饿汉式提到的静态局部变量方案,其实是 C++11 标准明确要求线程安全的实现方式([stmt.dcl]#4)。它既满足懒加载(首次调用才初始化),又无需手写锁、原子操作或内存序,编译器自动插入保护逻辑。

关键点:

  • 必须是函数作用域内的static变量,不能是类内static数据成员
  • 初始化语句必须是表达式(如static T x{...}),不能是赋值语句
  • 析构也自动注册,在程序退出时按逆序调用

示例无任何额外依赖:

class Singleton { private:     Singleton() = default; public:     Singleton(const Singleton&) = delete;     Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;     static Singleton& getInstance() {         static Singleton instance;  // ✅ 线程安全、懒加载、自动析构         return instance;     } };

GCC/Clang/MSVC 均已完整支持。如果你的项目最低要求 C++11 或更高,就别自己实现 DCLP 了——容易出错,还未必比编译器生成的快。

为什么 std::call_once + std::once_flag 是备选,但非首选

std::call_once确实能保证某段代码仅执行一次,可用于懒汉式构造:

class Singleton { private:     static Singleton* ptr;     static std::once_flag flag;     Singleton() = default; public:     static Singleton& getInstance() {         std::call_once(flag, []() {             ptr = new Singleton();         });         return *ptr;     } };

但它比静态局部变量方案多一次函数调用开销,且仍需手动管理ptr生命周期(没自动析构)、需额外声明std::once_flag和指针,还容易忘记加delete或泄漏。

除非你有特殊需求(比如想把构造逻辑抽离成独立函数,或需要在构造失败时重试),否则没必要绕开静态局部变量直接上std::call_once

真正复杂的地方从来不是“怎么写”,而是“怎么让析构时机可控、怎么防止静态初始化顺序问题、怎么在 DLL/so 中安全使用”——这些在静态局部变量方案里也依然存在,只是被掩盖了。

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