实现线程安全的单例模式并解释C++11的改进

题目

实现线程安全的单例模式并解释C++11的改进

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐

考点

单例模式, 线程安全, C++11静态初始化, 移动语义, 内存模型

快速回答

线程安全单例模式的C++11实现要点：

• 使用局部静态变量实现（C++11保证其初始化线程安全）
• 删除拷贝构造和赋值操作符
• 可选std::call_once或原子操作实现
• 正确处理移动语义（C++11新增）

原理说明

C++11标准规定：函数内的静态局部变量初始化具有线程安全性，编译器会自动插入同步代码（类似原子操作+内存屏障）。这解决了传统双重检查锁定（DCLP）在旧标准中的线程安全问题。

代码示例

class Singleton {
public:
    // 获取单例实例
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance;  // C++11保证线程安全初始化
        return instance;
    }

    // 删除拷贝和赋值
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

    // 可选：显式删除移动操作（C++11新增）
    Singleton(Singleton&&) = delete;
    Singleton& operator=(Singleton&&) = delete;

private:
    Singleton() = default;  // 私有构造函数
    ~Singleton() = default;
};
// 使用示例
auto& instance = Singleton::getInstance();

最佳实践

• 首选静态局部变量：简洁安全，符合RAII原则
• 显式删除拷贝/移动操作：防止意外复制（C++11新特性）
• 内存顺序保证：C++11内存模型确保初始化对所有线程可见
• 延迟初始化：首次调用时构造，避免静态初始化顺序问题

常见错误

• 使用旧版双重检查锁定：

  // 危险！C++11前DCLP存在数据竞争
  if(!instance) {                    // 未同步的读操作
      std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
      if(!instance) instance = new Singleton();
  }

• 忽略移动语义：未删除移动操作可能导致资源转移
• 返回指针而非引用：增加内存管理复杂度，可能引发delete错误

扩展知识

• std::call_once 替代方案：

  static std::once_flag flag;
  static Singleton* instance;
  std::call_once(flag, []{ instance = new Singleton(); });

• 内存模型：C++11引入的std::memory_order为底层同步提供精细控制
• Meyer's Singleton：上述静态局部变量实现即为此模式，被公认为现代C++最佳实践
• 单例的适用场景：配置管理、日志系统等真正需要全局唯一对象的场景