教资会网络 | UGC NET CS 2016 年 7 月 – III |问题 30

本题涉及如何使用C++编写一个线程安全的单例模式（Singleton Pattern）类。

什么是单例模式？

单例模式是一种设计模式，它保证一个类有且仅有一个实例，并且提供一个全局的访问点。

如何实现一个线程安全的单例模式？

懒汉式

懒汉式是一种在使用时才会创建实例的单例模式。在懒汉式实现中，需要注意线程安全问题。

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

private:
    Singleton() {};                  // 构造函数私有化
    Singleton(const Singleton&);     // 拷贝构造函数私有化
    Singleton& operator=(const Singleton&);  // 赋值运算符私有化
};

在懒汉式实现中，使用一个静态局部变量来保存单例实例，确保只有在使用时才会创建实例。由于静态局部变量只会在第一次使用时初始化，因此可以保证单例实例只有一个。然而，这种实现方式并不是线程安全的。当多个线程同时访问该类时，在第一个线程创建实例期间，其他线程也会判断出instance为空，然后各自创建实例，导致多个实例的出现。

为了保证线程安全，可以在静态局部变量初始化时加锁。在C++11中，可以用std::call_once来实现这一操作。

#include <mutex>

class Singleton {
public:
    static Singleton& Instance() {
        std::call_once(once_flag_, &Singleton::init);
        return *instance_;
    }

private:
    Singleton() {};                  
    Singleton(const Singleton&);     
    Singleton& operator=(const Singleton&);
    
    static void init() {
        instance_ = new Singleton();
        atexit(destroy);
    }
    
    static void destroy() {
        if (instance_ != nullptr) {
            delete instance_;
            instance_ = nullptr;
        }
    }
    
    static Singleton* instance_;
    static std::once_flag once_flag_;
};

在这种实现方式中，once_flag_是std::once_flag类型的全局变量，它保证init函数只会被调用一次。在init函数中，通过new创建对象，并通过atexit在程序结束时自动销毁单例实例（仅适用于单线程环境）。需要注意的是，这种实现方式并没有释放once_flag_和instance_的内存，因此需要在程序结束时手动释放。

饿汉式

饿汉式是一种在程序启动时就创建实例的单例模式。在饿汉式实现中，由于实例是在程序启动时创建的，在使用时不会有线程安全问题。

class Singleton {
public:
    static Singleton& Instance() {
        return *instance_;
    }

private:
    Singleton() {};                  
    Singleton(const Singleton&);     
    Singleton& operator=(const Singleton&);
    
    static Singleton* instance_;
};

Singleton* Singleton::instance_ = new Singleton();

这种实现方式与懒汉式相比较简单，但有一个缺点：由于实例是在程序启动时创建的，对于经常不会用到该实例的程序而言，它是一种资源浪费。