C++ 单例模式的各种坑及最佳实践
单例模式是设计模式中最简单、常见的一种。其主要目的是确保整个进程中，只有一个类的实例，并且提供一个统一的访问接口。常用于 Logger 类、通信接口类等。
基本原理
限制用户直接访问类的构造函数，提供一个统一的 public 接口获取单例对象。
这会有一个“先有鸡还是先有蛋”的问题：
- 因为用户无法访问构造函数，所以无法创建对象
- 因为无法创建对象，所以不能调用普通的 getInstance() 方法来获取单例对象
解决这个问题的方法很简单，将 getInstance() 定义为 static 即可（这也会限制 getInstance() 内只能访问类的静态成员）
注意事项
- 所有的构造函数是 private 的
- 拷贝构造、拷贝赋值运算符需要显式删除
=delete，防止编译器自动合成（即使你显式定义了析构函数或拷贝构造/拷贝赋值运算符，编译器依然可能合成拷贝赋值运算符/拷贝构造！新的 C++ 标准已将该行为标记为 deprecated，但为了兼容旧代码，目前 C++23 仍然会合成！后面打算单独用一篇笔记总结一下编译器默认合成的函数）
C++ 单例模式的几种实现方式
版本 1 饿汉式
提前创建单例对象
class Singleton1 {
public:
static Singleton1* getInstance() { return &inst; }
Singleton1(const Singleton1&) = delete;
Singleton1& operator=(const Singleton1&) = delete;
private:
Singleton1() = default;
static Singleton1 inst;
};
Singleton1 Singleton1::inst;
这个版本在程序启动时创建单例对象，即使没有使用也会创建，浪费资源。
版本 2 懒汉式
版本 2 通过将单例对象的实例化会推迟到首次调用 getInstance()，解决了上面的问题。
class Singleton2 {
public:
static Singleton2* getInstance() {
if (!pSingleton) {
pSingleton = new Singleton2();
}
return pSingleton;
}
Singleton2(const Singleton2&) = delete;
Singleton2& operator=(const Singleton2&) = delete;
private:
Singleton2() = default;
static Singleton2* pSingleton;
};
Singleton2* Singleton2::pSingleton = nullptr;
版本 3 线程安全
在版本 2 中，如果多个线程同时调用 getInstance() 则有可能创建多个实例。
class Singleton3 {
public:
static Singleton3* getInstance() {
lock_guard<mutex> lck(mtx);
if (!pSingleton) {
pSingleton = new Singleton3();
}
return pSingleton;
}
Singleton3(const Singleton3&) = delete;
Singleton3& operator=(const Singleton3&) = delete;
private:
Singleton3() = default;
static Singleton3* pSingleton;
static mutex mtx;
};
Singleton3* Singleton3::pSingleton = nullptr;
mutex Singleton3::mtx;
加锁可以解决线程安全的问题，但版本 3 的问题在于效率太低。每次调用 getInstance() 都需要加锁，而加锁的开销又是相当的高昂的。
版本 4 DCL (Double-Checked Locking)
版本 4 是版本 3 的改进版本，只有在指针为空的时候才会进行加锁，然后再次判断指针是否为空。而一旦首次初始化完成之后，指针不为空，则不再进行加锁。既保证了线程安全，又不会导致后续每次调用都产生锁的开销。
class Singleton4 {
public:
static Singleton4* getInstance() {
if (!pSingleton) {
lock_guard<mutex> lck(mtx);
if (!pSingleton) {
pSingleton = new Singleton4();
}
}
return pSingleton;
}
Singleton4(const Singleton4&) = delete;
Singleton4& operator=(const Singleton4&) = delete;
private:
Singleton4() = default;
static Singleton4* pSingleton;
static mutex mtx;
};
Singleton4* Singleton4::pSingleton = nullptr;
mutex Singleton4::mtx;
DCL 在很长一段时间内被认为是 C++ 单例模式的最佳实践。但也有文章表示 DCL 的正确性取决于内存模型，关于这部分的讨论可以参考这两篇文章：
- https://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html
- https://preshing.com/20130930/double-checked-locking-is-fixed-in-cpp11/
版本 5 Meyers’ Singleton
这个版本利用局部静态变量来实现单例模式。最早由 C++ 大佬、Effective C++ 系列的作者 Scott Meyers 提出，因此也被称为 Meyers’ Singleton
"This approach is founded on C++'s guarantee that local static objects are initialized when the object's definition is first encountered during a call to that function." ... "As a bonus, if you never call a function emulating a non-local static object, you never incur the cost of constructing and destructing the object."
—— Scott Meyers
TLDR：这就是 C++11 之后的单例模式最佳实践，没有之一。
- 最简洁：不需要额外定义类的静态成员
- 线程安全，不需要额外加锁
- 没有烦人的指针
class Singleton5 {
public:
static Singleton5& getInstance() {
static Singleton5 inst;
return inst;
}
Singleton5(const Singleton5&) = delete;
Singleton5& operator=(const Singleton5&) = delete;
private:
Singleton5() = default;
};
我曾见到过有人画蛇添足地返回单例指针，就像下面这样
static Singleton* getInstance() {
static Singleton inst;
return &inst;
}
如果没什么正当的理由（我也实在想不到有什么理由），还是老老实实地返回引用吧。现代 C++ 应当避免使用裸指针，关于这一点，我也有一篇笔记：裸指针七宗罪