C++进阶 — 特殊类设计

晚风不及你的笑427

已于 2023-06-03 11:38:51 修改

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分类专栏： C++进阶笔记文章标签： c++ 开发语言

于 2023-04-02 11:24:39 首次发布

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5. 设计一个只能创建一个对象的类(单例模式)

单例模式

饿汉模式

懒汉模式

1. 设计一个不能被拷贝的类

拷贝只会出现在两个场景中：拷贝构造函数以及赋值运算符重载，因此想要让一个类禁止拷贝，只需让该类不能调用拷贝构造函数以及赋值运算符重载即可。

在C++98中只声明拷贝构造和赋值重载，不实现，且把这两个成员函数设为私有即可。设置私有后类外面就调用不到了，有了声明，编译器就不会默认生成了。

class CopyBan
{
    // ...
    private:
    CopyBan(const CopyBan&);
    CopyBan& operator=(const CopyBan&);
    //...
};

在C++11中扩展了delete的用法，delete除了释放new申请的资源外，如果在默认成员函数后跟上=delete，表示让编译器删除掉该默认成员函数。

class CopyBan
{
    // ...
    CopyBan(const CopyBan&)=delete;
    CopyBan& operator=(const CopyBan&)=delete;
    //...
};

2. 设计一个只能在堆上创建对象的类

先将类的构造函数私有，拷贝构造声明成私有。防止别人调用拷贝构造在栈上生成对象。再提供一个静态的成员函数，在该静态成员函数中完成堆对象的创建。

class HeapOnly
{
public:
	static HeapOnly* createOBJ()
	{
		return new HeapOnly;
	}
private:
	HeapOnly()
    {}
	HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
	
};

还可以将析构函数设为私有。释放空间时通过类内的接口去释放即可。

3. 设计一个只能在栈上创建对象的类

同上将构造函数私有化，然后设计静态方法创建对象返回即可，这里需要注意，不能完全禁止在其他的地方创建对象。

4. 设计一个不能被继承的类

C++98中将基类的构造私有化，派生类中调不到基类的构造函数，则无法继承。

// C++98中构造函数私有化，派生类中调不到基类的构造函数。则无法继承
class NonInherit
{
public:
    static NonInherit GetInstance()
    {
        return NonInherit();
    }
private:
    NonInherit()
    {}
};

C++11中final关键字，final修饰类，表示该类不能被继承。

class A final
{
// ....
};

5. 设计一个只能创建一个对象的类(单例模式)

设计模式（Design Pattern）是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类的、代码设计经验的总结。

使用设计模式的目的：为了代码可重用性、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。设计模
式使代码编写真正工程化；设计模式是软件工程的基石脉络，如同大厦的结构一样。

比如迭代器模式，配接器(适配器)模式，单例模式，工厂模式，观察者模式等。这些都是设计模式。

单例模式

一个类只能创建一个对象，即单例模式，该模式可以保证系统中该类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点，该实例被所有程序模块共享。

比如在某个服务器程序中，该服务器的配置信息存放在一个文件中，这些配置数据由一个单例对象统一读取，然后服务进程中的其他对象再通过这个单例对象获取这些配置信息，这种方式简化了在复杂环境下的配置管理。

单例模式有两种实现模式：

饿汉模式

程序启动时(在main函数之前)就创建一个唯一的实例对象。

class Singleton
{
public:
	static Singleton& create()
	{
		return _sins;
	}
    
	void Insert(string s, int money)
	{
		//_info.insert(make_pair(s, money));
		_info[s] = money;
	}
	void Print()
	{
		for (const auto& kv : _info)
		{
			cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
		}
		cout << endl;
	}
private:

	Singleton()
	{}
    Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
private:
	map<string, int> _info;
	static Singleton _sins;
};
Singleton Singleton::_sins;//初始化

可以看到确实是只有一个对象的，无法拷贝和赋值。

优点：1.简单

2.单例对象在多线程高并发环境下频繁使用，性能要求较高，那么显然使用饿汉模式来避免资源竞争，提高响应速度更好。

缺点：1.单例对象初始化时数据太多，导致启动慢；

2.多个单例类初始化有依赖关系，饿汉模式无法控制。因为多个单例类对象实例启动顺序是不确定的。

懒汉模式

对象在main函数之后才会创建，不会影响启动顺序，也可以主动控制创建顺序。

如果单例对象构造十分耗时或者占用很多资源，比如加载插件啊，初始化网络连接啊，读取文件啊等等，而有可能该对象程序运行时不会用到，那么也要在程序一开始就进行初始化，就会导致程序启动时非常的缓慢。所以这种情况使用懒汉模式（延迟加载）更好。

//template<class lock>
//class lockGuard //智能指针->自动加锁，解锁	RAII方式
//{
//public:
//	lockGuard(lock& lk)
//		:_lk(lk)
//	{
//		_lk.lock();
//	}
//	~lockGuard()
//	{
//		_lk.unlock();
//	}
//private:
//	lock& _lk;
//};
//懒汉模式
class Singleton
{
public:
	//static Singleton& create()
	//{
	//	//第一次获取单列对象的时候创建对象
	//	//双检查加锁
	//	if (_psins == nullptr)//对象new出来以后，避免每次都加锁检查，提高性能
	//	{
	//		_mtx.lock();
	//		if (_psins == nullptr)//保证线程安全且只new一次
	//		{
	//			_psins = new Singleton;		//如果new抛异常，就没有解锁
	//		}
	//		_mtx.unlock();
	//	}
	//	return *_psins;
	//}
	
	static Singleton& create()
	{
		//第一次获取单列对象的时候创建对象
		//双检查加锁
		if (_psins == nullptr)//对象new出来以后，避免每次都加锁检查，提高性能
		{
			//lockGuard<mutex> mtx(_mtx);    //自己实现的
			std::lock_guard<mutex> mtx(_mtx);//库里提供的

			if (_psins == nullptr)//保证线程安全且只new一次
			{
				_psins = new Singleton;
			}
		}
		return *_psins;
	}
	//插入
	void Insert(string s, int money)
	{
		//_info.insert(make_pair(s, money));
		_info[s] = money;
	}

	void Print()
	{
		for (const auto& kv : _info)
		{
			cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
		}
		cout << endl;
	}
	//一般单例对象不需要考虑释放
	//单例对象不用时，必须手动处理，一些资源需要保存
	static void DelInstance()
	{
		//保存数据到文件
		//...
		std::lock_guard<mutex> lock(_mtx);
		if (_psins)
		{
			delete _psins;
			_psins = nullptr;
		}
	}
	//自动回收
	class GC
	{
	public:
		~GC()
		{
			if (_psins)//如果你没有显示的释放，我就帮你回收
			{
				cout << "~GC()" << endl;
				DelInstance();	//内部类是外部类的友元，可以直接调用
			}
		}
	};
	
private:
	Singleton()
	{}
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
private:
	map<string, int> _info;
	static Singleton* _psins;
	static mutex _mtx;
	static GC _gc;
};
Singleton* Singleton::_psins = nullptr;//初始化
mutex Singleton::_mtx;
Singleton::GC Singleton::_gc;

优点：第一次使用实例对象时，创建对象。进程启动无负载。多个单例实例启动顺序自由控

制。

缺点：复杂，需要注意很多问题。

完整代码：特殊类/特殊类/test.cpp · 晚风不及你的笑/作业库 - 码云 - 开源中国 (gitee.com)

拓展：

//懒汉模式
class Singleton
{
public:

	static Singleton& create()
	{
		static Singleton sins;    //只会创建一次
		return sins;
	}
	//插入
	void Insert(string s, int money)
	{
		//_info.insert(make_pair(s, money));
		_info[s] = money;
	}

	void Print()
	{
		for (const auto& kv : _info)
		{
			cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
		}
		cout << endl;
	}
private:
	Singleton()
	{
		cout << "Singleton()" << endl;
	}
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
private:
	map<string, int> _info;
};