注意：复现代码时，确保 VS2022 使用 C++17/20 标准以支持现代特性。
确保全局唯一实例的线程安全实现
1. 模式定义与用途
核心目标：保证一个类仅有一个实例，并提供全局访问点。
常见场景：
- 日志系统（避免多个日志实例竞争文件资源）
- 配置管理（统一读取和修改全局配置）
- 硬件接口访问（如打印机设备控制）
2. 线程安全的现代 C++ 实现
2.1 方法一：局部静态变量（Meyers’ Singleton，C++11起线程安全）
#include <iostream>class Singleton {
public:// 删除拷贝构造函数和赋值操作符Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;// 获取唯一实例static Singleton& getInstance() {static Singleton instance; // 线程安全（C++11起）return instance;}void logMessage(const std::string& message) {std::cout << "Log: " << message << std::endl;}private:// 私有构造函数，禁止外部创建实例Singleton() = default;
};//测试代码
int main() {Singleton::getInstance().logMessage("System started.");Singleton::getInstance().logMessage("User logged in.");// 验证实例地址唯一Singleton& s1 = Singleton::getInstance();Singleton& s2 = Singleton::getInstance();std::cout << "Addresses equal? " << (&s1 == &s2 ? "Yes" : "No") << std::endl; // 输出：Yesreturn 0;
}
代码解析：
- 使用局部静态变量
static Singleton instance，C++11 标准保证其初始化线程安全。 - 删除拷贝构造函数和赋值操作符，防止意外复制实例。
- 私有构造函数确保外部无法直接创建对象。
2.2 方法二：std::call_once（适用于需要动态初始化的场景）
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <memory>class Singleton {
public:Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;static Singleton& getInstance() {std::call_once(initFlag, []() {instance = std::unique_ptr<Singleton>(new Singleton());});return *instance;}void logMessage(const std::string& message) {std::cout << "Log: " << message << std::endl;}private:Singleton() = default;static std::unique_ptr<Singleton> instance;static std::once_flag initFlag;
};// 静态成员初始化
std::unique_ptr<Singleton> Singleton::instance = nullptr;
std::once_flag Singleton::initFlag;// 测试代码（同上）
代码解析：
std::call_once保证初始化代码仅执行一次，即使多线程环境下也安全。- 使用
std::unique_ptr管理实例，避免内存泄漏。
3. 传统双检锁（Double-Checked Locking）的问题与改进
旧版 C++（非线程安全）：
// 警告：C++11 前的实现可能存在线程安全问题！
Singleton* Singleton::getInstance() {if (instance == nullptr) { // 第一次检查std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);if (instance == nullptr) { // 第二次检查instance = new Singleton();}}return instance;
}
问题：
- 内存读写顺序问题（指令重排可能导致未初始化完成的对象被访问）。
改进（C++11 起使用原子变量）：
#include <atomic>class Singleton {static std::atomic<Singleton*> instance;static std::mutex mutex;public:static Singleton* getInstance() {Singleton* tmp = instance.load(std::memory_order_acquire);if (tmp == nullptr) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);tmp = instance.load(std::memory_order_relaxed);if (tmp == nullptr) {tmp = new Singleton();instance.store(tmp, std::memory_order_release);}}return tmp;}
};
4. 应用场景示例：日志系统
// 在 Singleton 类中添加日志文件操作
#include <fstream>class Singleton {// ...（同上）
private:std::ofstream logFile;Singleton() {logFile.open("app.log", std::ios::app);}public:void logMessage(const std::string& message) {if (logFile.is_open()) {logFile << message << std::endl;}}~Singleton() {logFile.close();}
};
5. 单例模式的优缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 全局唯一实例，避免资源冲突 | 隐藏依赖关系，降低代码可测试性 |
| 延迟初始化（节省内存） | 长期持有资源可能影响程序退出行为 |
6. 总结与调试技巧
- 验证线程安全：在 VS2022 中使用多线程调试，观察实例地址是否唯一。
- 查看静态变量生命周期：通过断点检查局部静态变量的初始化时机。
- 禁用拷贝操作：务必删除拷贝构造函数和赋值操作符以防止意外复制
