从实例到单例：Objective-C 单例类的线程安全实现方案

在 Objective-C 中实现线程安全的单例模式需解决两个核心问题：

确保全局唯一实例
防止多线程环境下的竞态条件

一、基础实现方案

objectivec 复制代码

// MySingleton.h
@interface MySingleton : NSObject
+ (instancetype)sharedInstance;
@end

// MySingleton.m
@implementation MySingleton
+ (instancetype)sharedInstance {
    static MySingleton *_sharedInstance = nil;
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        _sharedInstance = [[self alloc] init];
    });
    return _sharedInstance;
}
@end

关键组件：

static 变量保证实例生命周期与程序相同
dispatch_once_t 确保代码块仅执行一次
GCD 的 dispatch_once 提供原子性操作

二、线程安全分析

设 $T_1$ , $T_2$ 为并发线程，其执行过程满足： $$P(T_1 \cap T_2) = \emptyset \implies \text{单例唯一性}$$ dispatch_once 的底层实现基于：

原子性内存屏障
信号量锁机制
双重检查锁定模式

三、防御性改进方案

防止通过其他方式创建实例：

objectivec 复制代码

// 重写 allocWithZone 方法
+ (instancetype)allocWithZone:(struct _NSZone *)zone {
    return [self sharedInstance];
}

// 防止拷贝
- (id)copyWithZone:(NSZone *)zone {
    return self;
}

四、性能对比

实现方案	线程安全	时间复杂度	内存屏障
`@synchronized`	是	$O(n)$	有
`dispatch_once`	是	$O(1)$	无
双重检查锁定	否	$O(1)$	无

最佳实践：

始终使用 dispatch_once 方案

在 .m 文件中声明静态变量而非头文件

重写 allocWithZone: 和 copyWithZone: 方法

避免在单例初始化方法中调用 sharedInstance

五、使用场景

适合以下全局服务：

配置管理器
网络监控器
核心数据栈
日志系统

graph LR A[调用 sharedInstance] --> B{实例是否存在？} B -- 否 --> C[dispatch_once 创建] B -- 是 --> D[返回现存实例] C --> D

此方案满足： $$ \forall t \in \mathbb{T}, \quad \exists! , \text{instance} \in \text{MySingleton} $$ 其中 $\\mathbb{T}$ 表示线程集合， $\\exists!$ 表示存在且唯一。