c++如何实现单例模式_c++线程安全单例模式写法【面试】

c++11 之前 double-checked locking 不安全，因编译器和 CPU 重排序可能导致 instance 指针提前赋值而对象未构造完成；C++11 起推荐用 Static 局部变量实现单例，由编译器保证线程安全初始化。

为什么 double-checked locking 在 C++11 之前不安全

因为编译器重排序和 CPU 指令重排，可能导致 instance 指针被提前赋值，但对象构造尚未完成。线程 A 执行到 if (instance == nullptr) 时看到非空指针，就直接返回未初始化完毕的对象，引发未定义行为。

在 C++11 之前，必须用全局锁（如 pthread_mutex_t）包裹整个获取逻辑，性能差；C++11 引入内存模型后，才真正支持高效且安全的双重检查锁定。

C++11 推荐写法：使用 std::call_once + static 局部变量

这是最简洁、最安全、且天然线程安全的实现方式，由编译器保证初始化仅执行一次，无需手动加锁或检查。

class Singleton { public:     static Singleton& getInstance() {         static Singleton instance; // C++11 起，static 局部变量初始化是线程安全的         return instance;     }     Singleton(const Singleton&) = delete;     Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; 
private: Singleton() = default; // 可加初始化逻辑 };

• 所有主流编译器（GCC、Clang、MSVC）都已正确实现该语义
• 首次调用 getInstance() 时才构造对象，满足懒加载
• 无需 std::mutex 或 std::atomic，无额外开销
• 析构由程序退出前自动触发，顺序可控（静态对象生命周期）

如果非要手写 double-checked locking：必须用 std::atomic 和 memory_order

手动实现需严格控制内存序，否则仍可能出错。关键点不是“加锁”，而是防止重排破坏构造顺序。

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class Singleton { public:     static Singleton* getInstance() {         Singleton* tmp = instance.load(std::memory_order_acquire);         if (tmp == nullptr) {             std::lock_guard lock(mutex_);             tmp = instance.load(std::memory_order_relaxed);             if (tmp == nullptr) {                 tmp = new Singleton();                 instance.store(tmp, std::memory_order_release);             }         }         return tmp;     } 
private: static std::atomic> instance; static std::mutex mutex_; Singleton() = default; }; std::atomic> Singleton::instance{nullptr}; std::mutex Singleton::mutex_;

• instance 必须是 std::atomic，不能是裸指针
• 第一次 load 用 memory_order_acquire，确保后续读取不会重排到它前面
• store 用 memory_order_release，配合 acquire 实现同步点
• 内部二次 check 是必须的：防止多个线程同时通过第一层 if 后竞争构造
• 实际项目中几乎没必要这么写，static 局部变量更可靠

面试时最容易被追问的坑

面试官常会问：“如果 Singleton 构造函数抛异常，会怎样？”——答案是：static 局部变量版本会捕获异常，且下次调用仍会尝试构造（C++11 标准规定：若初始化抛异常，该变量视为未初始化，下次进入函数时重试）。

• 这意味着构造函数必须能处理重复调用的副作用（比如文件打开失败、网络连接失败等）
• 而手写 double-checked 版本若在 new Singleton() 后、store 前抛异常，会导致 instance 保持为 nullptr，下次调用可重试，行为一致
• 但若在构造函数中发生资源泄漏（比如 malloc 成功但后续失败），静态局部变量版无法自动回滚，需自行确保构造函数强异常安全

真正难的不是写出来，而是说清“为什么这个 static 变量能线程安全”——本质是编译器生成了类似 std::call_once 的保护代码，背后依赖的是 C++11 的 one-time initialization 机制。