设计模式-单例设计模式

单例模式的设计和线程安全

单例模式是一种创建型设计模式，确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。实现单例模式时，线程安全性是一个重要考虑因素，特别是在多线程环境中。

1. C++11 之前的线程安全实现

在 C++11 之前，确保单例模式的线程安全通常需要使用互斥锁或双重检查锁定（double-checked locking）技术。以下是这些方法的简要说明：

• 互斥锁：通过使用 std::mutex 或类似的机制来锁定创建实例的代码区域。这样可以确保在多线程环境中，只有一个线程能够执行实例的创建代码，从而避免多个实例的创建。示例如下：

  class Singleton {
  public:static Singleton& getInstance() {if (!instance) {std::lock_guard<std::mutex> guard(mutex); // 加锁if (!instance) {instance = new Singleton();}}return *instance;}private:Singleton() {}static Singleton* instance;static std::mutex mutex;
  };
  

  这个方法避免了多个线程同时创建多个实例的问题，但锁定可能导致性能瓶颈。

• 双重检查锁定：这种技术用于减少锁的开销。只有在实例尚未创建时才加锁，实例已经创建后则跳过加锁。示例如下：

  class Singleton {
  public:static Singleton& getInstance() {if (!instance) {std::lock_guard<std::mutex> guard(mutex); // 加锁if (!instance) {instance = new Singleton();}}return *instance;}private:Singleton() {}static Singleton* instance;static std::mutex mutex;
  };
  

  这种方法的实现复杂且容易出错，因为在 C++03 及以前版本中，线程对静态变量初始化的行为未被明确规定，可能会导致不一致的结果。

2. C++11 及其之后的改进

C++11 引入了对局部静态变量初始化的线程安全支持，这简化了单例模式的实现。关键改进包括：

• 线程安全的局部静态变量初始化：

  • C++11 标准保证了局部静态变量的初始化是线程安全的。这意味着，即使多个线程同时调用返回静态局部变量的函数，编译器也会确保该静态变量只被初始化一次，并且线程安全。
  • 这消除了对显式锁定的需求，使得单例模式的实现更简单和高效。

  示例代码：

  class Singleton {
  public:static Singleton& getInstance() {static Singleton instance; // 局部静态变量，线程安全return instance;}private:Singleton() {}
  };
  

  在这个实现中，instance 是一个局部静态变量。C++11 确保当多个线程同时访问 getInstance 方法时，只有一个线程会创建 instance 实例，而其他线程将看到已经初始化的实例。

• 初始化顺序保证：

  • C++11 还保证了局部静态变量的初始化顺序是确定的，即先初始化局部静态变量后才执行其他代码。这确保了静态变量不会在使用前被销毁。

3. 总结

• C++11 改进：引入了线程安全的局部静态变量初始化机制，简化了单例模式的实现，不再需要手动处理线程安全问题。
• C++11 之前：需要使用互斥锁或双重检查锁定来确保线程安全，这些方法复杂且容易出错。

C++11 的这些改进显著提升了单例模式的实现简洁性和安全性，使得在多线程环境中使用单例模式变得更加可靠和高效。