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C++单例模式线程安全双重检查锁定优化

P粉602998670

发布： 2025-08-21 09:18:02

原创

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答案：双重检查锁定用于减少锁竞争，通过原子操作和内存屏障确保线程安全；C++11后推荐局部静态变量实现，更简洁安全。

c++单例模式线程安全双重检查锁定优化

在C++中实现线程安全的单例模式时，双重检查锁定（Double-Checked Locking Pattern, DCLP）是一种常见优化手段，旨在减少锁竞争，提高性能。它通过在加锁前后分别检查实例是否已创建，避免每次调用都进入临界区。

问题背景：为什么需要双重检查？

如果使用简单的懒加载加互斥锁：

Singleton* getInstance() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
    if (instance == nullptr) {
        instance = new Singleton();
    }
    return instance;
}

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每次调用都要加锁，开销较大。而大多数情况下实例已经创建，无需加锁。双重检查的思路是：先不加锁判断是否为空，若为空再加锁并再次检查。

正确实现：使用原子操作与内存屏障

经典DCLP容易出错，主要问题在于对象构造与指针赋值的重排序可能导致其他线程拿到未完全构造的实例。C++11之后，使用

std::atomic

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和适当的内存顺序可解决此问题。

立即学习“C++免费学习笔记（深入）”；

class Singleton {
private:
    static std::atomic<Singleton*> instance;
    static std::mutex mutex_;
<pre class='brush:php;toolbar:false;'>Singleton() = default;

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public: static Singleton getInstance() { Singleton tmp = instance.load(std::memory_order_relaxed); if (tmp == nullptr) { std::lockguard<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; } };

关键点：

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```
std::atomic<Singleton*>
```
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保证指针读写原子性
第一次检查用
```
relaxed
```
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，无同步开销
构造完成后用
```
release
```
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存储，确保构造完成前的所有写入不会被重排到存储之后
后续读取时，即使使用
```
relaxed
```
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，在锁的保护下也安全

C++11局部静态变量：更简洁的替代方案

实际上，C++11标准规定：函数内的局部静态变量初始化是线程安全的，且只执行一次。这提供了一种更简单、更可靠的方式：

static Singleton& getInstance() {
    static Singleton instance;
    return instance;
}

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编译器会自动插入必要的同步机制（如g++使用GOT和互斥锁），实现开销小且正确性有保障。这种方式避免了手动管理指针和原子操作的复杂性。

RAII与智能指针优化资源管理

若仍需手动管理，建议使用智能指针配合

std::call_once

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：

class Singleton {
private:
    static std::unique_ptr<Singleton> instance;
    static std::once_flag flag;
<pre class='brush:php;toolbar:false;'>Singleton() = default;

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public: static Singleton* getInstance() { std::call_once(flag, []() { instance = std::unique_ptr<Singleton>(new Singleton()); }); return instance.get(); } };