掌握C++单例模式（从零开始构建线程安全的单例类）

为什么需要单例模式？

想象一下，如果你的应用需要一个日志系统，但你不希望创建多个日志对象（那样会浪费资源甚至导致日志混乱），这时就可以使用单例模式实现来保证整个程序只有一个日志实例。

基础版单例（非线程安全）

我们先来看一个最简单的单例实现：

#include <iostream>class Singleton {private:    // 私有构造函数，防止外部直接创建对象    Singleton() {}    // 禁止拷贝和赋值（C++11起推荐使用 delete）    Singleton(const Singleton&) = delete;    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;public:    // 静态方法，返回唯一实例    static Singleton& getInstance() {        static Singleton instance; // 局部静态变量        return instance;    }    void showMessage() {        std::cout << "Hello from Singleton!\n";    }};int main() {    Singleton& s1 = Singleton::getInstance();    Singleton& s2 = Singleton::getInstance();    s1.showMessage();    // s1 和 s2 实际上是同一个对象    std::cout << (&s1 == &s2 ? "Same instance!" : "Different instances!") << std::endl;    return 0;}

这段代码利用了C++11标准中对局部静态变量初始化的线程安全性保证。也就是说，即使多个线程同时调用 getInstance()，C++运行时也会确保 instance 只被初始化一次。因此，这个实现实际上是线程安全单例！

传统双检锁实现（适用于C++11之前）

在C++11之前，开发者常使用“双检锁”（Double-Checked Locking）模式来实现线程安全。虽然现在不推荐使用（因为容易出错且C++11后有更好的方式），但了解它有助于理解历史演进：

#include <iostream>#include <mutex>class SingletonOld {private:    static SingletonOld* instance;    static std::mutex mtx;    SingletonOld() {}public:    SingletonOld(const SingletonOld&) = delete;    SingletonOld& operator=(const SingletonOld&) = delete;    static SingletonOld* getInstance() {        if (instance == nullptr) { // 第一次检查            std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);            if (instance == nullptr) { // 第二次检查                instance = new SingletonOld();            }        }        return instance;    }};// 在 .cpp 文件中定义静态成员SingletonOld* SingletonOld::instance = nullptr;std::mutex SingletonOld::mtx;

注意：这种写法在C++11之前存在内存重排序问题，可能导致未完全构造的对象被返回。因此，强烈建议使用第一种基于局部静态变量的方式。

关键要点总结

• 将构造函数设为私有，防止外部直接创建对象。
• 删除拷贝构造函数和赋值操作符，防止复制实例。
• 使用局部静态变量 + C++11特性，自动获得线程安全单例。
• 避免使用全局指针和手动 new/delete，减少内存泄漏风险。

结语

通过本教程，你已经掌握了如何在C++中正确实现单例模式。记住，现代C++（C++11及以上）中，使用局部静态变量是最简洁、安全且高效的方式。无论是开发小型工具还是大型系统，合理使用C++设计模式都能让你的代码更健壮、更易维护。

希望这篇教程能帮助你轻松理解并应用C++单例模式！