C++单例模式有哪些实现方式 线程安全与延迟初始化讨论

单例模式的核心是确保一个类只有一个实例并提供全局访问点。实现需关注线程安全与延迟初始化。1. 饿汉式在类加载时初始化，线程安全但不支持延迟初始化；2. 懒汉式支持延迟初始化但线程不安全；3. 加锁实现线程安全但影响性能；4. 双重检查锁定减少锁的使用提升性能但存在指令重排风险；5. meyers' singleton利用c++++11特性实现线程安全与延迟初始化，代码简洁推荐使用。此外拷贝构造函数和赋值运算符必须禁止以防止创建多个实例，销毁问题则根据具体场景选择解决方案。

单例模式的核心在于确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。C++实现单例模式的方式有很多，但线程安全和延迟初始化是需要重点考虑的问题。

懒汉式、饿汉式、以及各种加锁方式，都是为了解决这两个问题。选择哪种方式，取决于具体的应用场景和性能需求。

饿汉式单例模式

饿汉式是最简单的一种实现方式。在类加载的时候就完成了初始化，所以是线程安全的。

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class Singleton {
private:
    Singleton() {} // 私有构造函数
    static Singleton instance; // 静态成员变量，在类加载时初始化

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

    // 其他成员函数
};

Singleton Singleton::instance; // 静态成员变量的定义

这种方式的缺点是，不管你用不用这个单例，它都会被创建。如果单例的创建过程比较耗时，或者程序运行期间根本不需要用到这个单例，那么就会造成资源浪费。

懒汉式单例模式（线程不安全）

懒汉式则相反，它会在第一次使用的时候才创建单例。

class Singleton {
private:
    Singleton() {}
    static Singleton* instance;

public:
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
};

Singleton* Singleton::instance = nullptr;

但是，这种方式在多线程环境下是不安全的。如果有多个线程同时调用getInstance()，并且instance还是nullptr，那么就会有多个线程同时创建单例，导致产生多个实例。

懒汉式单例模式（加锁实现线程安全）

为了解决懒汉式单例模式的线程安全问题，可以使用锁。

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#include 

class Singleton {
private:
    Singleton() {}
    static Singleton* instance;
    static std::mutex mutex;

public:
    static Singleton* getInstance() {
        std::lock_guard lock(mutex);
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
};

Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mutex;

这种方式虽然解决了线程安全问题，但是每次调用getInstance()都需要加锁，会影响性能。

双重检查锁定（Double-Checked Locking）

为了提高性能，可以使用双重检查锁定。

#include 

class Singleton {
private:
    Singleton() {}
    static Singleton* instance;
    static std::mutex mutex;

public:
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            std::lock_guard lock(mutex);
            if (instance == nullptr) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
};

Singleton* Singleton::instance = nullptr;
std::mutex Singleton::mutex;

这种方式在instance已经创建后，就不需要加锁了，可以提高性能。但是，双重检查锁定在某些编译器和CPU架构上可能存在问题，因为编译器可能会对指令进行重排序，导致instance在构造完成之前就被其他线程访问。

Meyers' Singleton (C++11及以上推荐)

C++11引入了静态局部变量的线程安全初始化，这使得实现单例模式变得非常简单且安全。

class Singleton {
private:
    Singleton() {}
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

public:
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance; // 静态局部变量，线程安全初始化
        return instance;
    }

    // 其他成员函数
};

这种方式利用了C++11的特性，既保证了线程安全，又实现了延迟初始化，而且代码简洁，是C++11及以上版本推荐的单例模式实现方式。

为什么要禁止拷贝构造函数和赋值运算符？

单例模式要求只有一个实例，如果允许拷贝构造和赋值，那么就可以创建多个实例，破坏单例模式。因此，需要将拷贝构造函数和赋值运算符声明为private，或者直接删除（使用= delete）。

单例模式在多线程环境下的销毁问题

单例模式的销毁是一个比较复杂的问题，尤其是在多线程环境下。如果简单地在程序结束时delete单例，可能会导致一些问题，比如在delete单例之后，还有线程访问单例。解决这个问题的方法有很多，比如使用智能指针、注册程序退出时的回调函数等。但是，这些方法都比较复杂，需要根据具体的应用场景选择。在很多情况下，不手动销毁单例也是一种可行的选择，让操作系统在程序退出时回收资源。