C 语言代码怎么实现单例模式

在C语言中实现单例模式涉及到对静态变量、函数和线程安全概念的应用。单例模式保证程序运行期间一个类仅有一个实例，并提供全局访问点。在C语言中，可以通过静态全局变量、局部静态变量结合函数实现。特别地，需要保证线程安全，防止多线程环境下创建多个实例。其中局部静态变量结合函数实现是最为推荐的方式，因为它既保证了懒加载，也相对容易实现线程安全。

一、为什么使用单例模式

单例模式作为一种常用的软件设计模式，主要用于控制资源访问，确保全局只有一个实例存在。在C语言开发的系统或应用程序中，可能存在一些资源或配置需要全局访问，同时又要避免重复创建浪费资源，这时单例模式就显得尤为重要。比如，配置管理、硬件接口管理等场景。

二、静态全局变量实现单例

使用静态全局变量实现单例是最直观的方法。你可以定义一个静态全局变量来存储实例，然后通过一个公开的接口函数返回这个实例的指针。但需要注意的是，这种方法在多线程环境下不能保证线程安全。

// 示例代码
#include<stdio.h>
typedef struct {
    // 成员定义...
} Singleton;
static Singleton* instance = NULL;
Singleton* GetInstance() {
    if (instance == NULL) {
        instance = (Singleton*)malloc(sizeof(Singleton));
        // 初始化实例...
    }
    return instance;
}

三、局部静态变量实现单例

局部静态变量的方法通过函数内的局部静态变量来实现单例模式，此方法相比静态全局变量的好处在于实现了懒加载，并且在C11以后的并发环境通过特定编译器指令也能保证线程安全。

// 示例代码
#include<stdio.h>
typedef struct {
    // 成员定义...
} Singleton;
Singleton* GetInstance() {
    static Singleton instance;  // C11标准确保了这里的线程安全
    return &instance;
}

这种方式实现的单例模式不需要显式地调用释放函数，因为它是由编译器自动管理的静态数据。在多线程环境下，C11标准保证了静态局部变量的初始化是线程安全的。

四、线程安全问题

在多线程环境下，确保单例模式线程安全至关重要。尽管局部静态变量的方法在C11标准后提供了一定程度上的线程安全，但在老版本标准或者其他用例下，需要手动实现线程安全措施，如使用互斥锁。

// 示例代码，假设环境非C11标准
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
typedef struct {
    // 成员定义...
} Singleton;
static pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
Singleton* GetInstanceThreadSAFe() {
    static Singleton* instance = NULL;
    if (instance == NULL) {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        if (instance == NULL) {  // 双重检查
            instance = (Singleton*)malloc(sizeof(Singleton));
            // 初始化实例...
        }
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
    return instance;
}