引言

单例模式是在工程上比较常见的设计模式，顾名思义，单例是指在程序运行周期内有且只有一个实例化的对象。在面试过程中，实现线程安全的单例模式也是个高频考点，本文也是立足于面试，罗列C++的线程安全单例模式的实现方法。

单例的实现方式

根据实例化的时机，主要分为饿汉和懒汉两种。

1. 饿汉。第一次获取实例前就已经创建好。

   class Singleton {
    public:
     static Singleton* GetInstance();
    private:
     static Singleton* instance_;
   };
   Singleton* instance_ = new Singleton();  // 已经创建好
   
   Singleton* Singleton::GetInstance() {
     return instance_;
   }
   

2. 懒汉。第一次获取实例时才创建。

   class Singleton {
    public:
     static Singleton* GetInstance();
    private:
     static Singleton* instance_;
   };
   Singleton* instance_ = nullptr;  // 静态变量的初始化，默认为nullptr
   
   Singleton* Singleton::GetInstance() {
     if (instance_ == nullptr) {
       instance_ = new Singleton();  // instance_为空时才创建
     }
     return instance_;
   }
   

线程安全

线程安全问题简单来说就是多线程在对同一共享对象的读写不一致。这里要声明一点，针对单例模式的线程安全是指获取实例这一操作，而不是对获取到的实例对象本身的操作。下面来分析一下上述两种实现方式的线程安全性：

• 在饿汉的方式下，调用GetInstance()将直接返回已经创建好的实例，可以认为都是读操作，因此是线程安全的；
• 在懒汉的方式下，可以看到GetInstance()的注释里说的是“intance_为空时才创建”，而不是“第一次获取实例时才创建”，对于前者一种可能的问题就是两个线程在都进入到了if (instance_ == nullptr)的判断分支里，都执行了instance_ = new Singleton()这一步，结果显而易见，Singleton被实例化两次，这样就导致了线程不安全。

线程安全的懒汉单例模式

既然找到了线程不安全的原因，下面直接给出安全的例子：

1. 加互斥锁

   class Singleton {
    public:
     static Singleton* GetInstance();
    private:
     static Singleton* instance_;
     static mutex mtx_;
   };
   Singleton* Singleton::instance_ = nullptr;  // 静态变量的初始化，默认为nullptr
   mutex Singleton::mtx_;
   
   Singleton* Singleton::GetInstance() {
     unique_lock<mutex> lock(mtx_);
     if (instance_ == nullptr) {
       instance_ = new Singleton();  // instance_为空时才创建
     }
     return instance_;
   }
   

2. 双重检查锁（DCL）

   class Singleton {
    public:
     static Singleton* GetInstance();
    private:
     static Singleton* instance_;
     static mutex mtx_;
   };
   Singleton* Singleton::instance_ = nullptr;  // 静态变量的初始化，默认为nullptr
   mutex Singleton::mtx_;
   
   Singleton* Singleton::GetInstance() {
     if (instance_ == nullptr) {
       unique_lock<mutex> lock(mtx_);
       if (instance_ == nullptr) {
         instance_ = new Singleton();  // instance_为空时才创建
       }
     }
     return instance_;
   }
   

3. 内部静态变量

   class Singleton {
    public:
     static Singleton* GetInstance();
   };
   
   Singleton* Singleton::GetInstance() {
     static Singleton instance;  // !指定C++11编译选项
     return &instance;
   }
   

4. unique_lock+call_once

   class Singleton {
    public:
     static Singleton& GetInstance();
    private:
     static unique_ptr<Singleton> instance_;
   };
   
   Singleton& Singleton::GetInstance() {
     static once_flag flag;
     call_once(flag, [&]() {
       instance_.reset(new Singleton());
     });
     return *instance_;
   }
   

其他问题

• DCL方法可能会被一些编译器优化，导致乱序问题怎么处理？参考设计模式 - 单例模式 - 《C++那些事（Stories About C Plus Plus）》 - 书栈网 · BookStack
• 创建的单例怎么自动释放呢？参考设计模式 - 单例模式 - 《C++那些事（Stories About C Plus Plus）》 - 书栈网 · BookStack，实现一个内嵌垃圾回收类

参考

1. C++11 使用智能指针改进单例模式_HelloKandy的博客-CSDN博客
2. 设计模式 - 单例模式 - 《C++那些事（Stories About C Plus Plus）》 - 书栈网 · BookStack
3. C++ 线程安全的单例模式总结 - 小林coding - 博客园 (cnblogs.com)