C++ 特殊类设计

C++ 特殊类的设计

1.设计模式概念

1. 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
2. 为什么会产生设计模式这样的东西呢？就像人类历史发展会产生兵法。最开始部落之间打仗时都是人拼人的对砍。后来春秋战国时期，七国之间经常打仗，就发现打仗也是有套路的，后来孙子就总结出了《孙子兵法》
3. 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
4. 设计模式分为三大类：创建型模式、结构型模式、行为型模式
   1. 创建型模式(5种)：工厂方法、抽象工厂方法、单例模式、建造者模式、原型模式
   2. 结构型模式(8种)：适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式
   3. 行为型模式(13种)：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式

注：这里我们探究开发种最常用的单例模式

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2.特殊类设计：只能创建一个对象的类(单例模式)

1. 在我们平时写代码中，单例模式是使用的最多的一种设计模式
2. 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
3. 单例模式分为：饿汉单例模式、懒汉单例模式、登记式单例模式

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2.1 饿汉单例模式

饿汉单例模式：就是说不管你将来用不用，程序启动时就创建一个唯一的实例对象

// 饿汉模式
// 优点：简单
// 缺点：可能会导致进程启动慢，且如果有多个单例类对象实例启动顺序不确定。
class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		return m_instance;
	}
 
private:
	// 构造函数私有
	Singleton() 
	{};
 
	// C++98 防拷贝
	Singleton(Singleton const&);
	Singleton& operator=(Singleton const&);
 
	// or
 
	// C++11
	Singleton(Singleton const&) = delete;
	Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;
 
	static Singleton* m_instance;
};
// 在程序入口之前就完成单例对象的初始化
Singleton* Singleton::m_instance = new Singleton; 
 
int main()
{
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	return 0;
}

饿汉单例模式总结：

1. 如果这个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
2. 饿汉单例模式优点：
   • 保证全局（整个进程）只有唯一实例对象
   • 饿汉模式：一开始就创建对象，特别简单
3. 饿汉单列模式缺点：
   • 多个单例对象A,B,C假设要求他们之间有依赖关系：依次创建,就无法达到，无法保证顺序
   • 可能会导致程序启动很慢

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2.2 懒汉单例模式

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

// 懒汉
// 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
#include 
#include 
#include 
using namespace std;
class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance() 
    {
		// 注意这里一定要使用Double-Check的方式加锁，才能保证效率和线程安全
		if (nullptr == m_pInstance) 
        {
			m_mtx.lock();
			if (nullptr == m_pInstance) 
            {
				m_pInstance = new Singleton();
			}
			m_mtx.unlock();
		}
		return m_pInstance;
	}
	// 实现一个内嵌垃圾回收类
	class CGarbo 
    {
	public:
		~CGarbo() 
        {
			if (Singleton::m_pInstance)
				delete Singleton::m_pInstance;
		}
	};
	// 定义一个静态成员变量，程序结束时，系统会自动调用它的析构函数从而释放单例对象
	static CGarbo Garbo;
private:
	// 构造函数私有
	Singleton() {};
	// 防拷贝
	Singleton(Singleton const&);
	Singleton& operator=(Singleton const&);
	static Singleton* m_pInstance; // 单例对象指针
	static mutex m_mtx; //互斥锁
};
Singleton* Singleton::m_pInstance = nullptr;
Singleton::CGarbo Garbo;
mutex Singleton::m_mtx;
void func(int n)
{
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
}
 
// 多线程环境下才能演示上面GetInstance()加锁和不加锁的区别
int main()
{
	thread t1(func, 10);
	thread t2(func, 10);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
}

这里有一个问题，就是有线程安全的问题， 就是当多线程的时候，刚进行判断了为 nullptr ，然后进去，还没有调用 new ，然后当前线程就被切走了，然后下一个线程来了还是 nullptr 就又进去 new 了一个对象，然后恢复第一个线程的上下文后又 new 了一个对象，第二个 new 的就将第一个的给覆盖了，所以这样就有错误了

所以这里我们就可以使用互斥锁:

1. 因为加锁要加在一个锁上才有用，所以我们也要将锁设为静态的，然后在类外进行初始化，我们这样就保证了只实例化出一个对象来，但是这样实际上还是有些问题的

2. 问题就是当我们 new 出一个对象之后，我们在进行调用 GetInstance 的时候，还会不停的加锁解锁，我们知道，在我之前写的多线程的时候说过，加锁解锁是有性能消耗的，所以不断的加锁解锁是很不好的

3. 所以这里我们就要使用双检测加锁：

• 这样就减少加锁，获取了效率了,但还是会有一点问题，那么就单例对象什么时候释放

• 其实单例对象是不需要释放的，因为一般情况下单例在进程启动之后随时会被用，而且这个对象也不大，那么就可以不去释放

• 那么会有内存泄漏？其实如果进程是正常结束的，因为 new 出来得到的进程地址空间是虚拟内存，当结束之后就会将地址通过页表取消映射，那么 new 出来的资源就会还给 OS

• 当然如果想要释放也是没有问题的：

• 我们就实现一个 DelInstance 去手动调用的去释放

• 当然有可能考虑到程序结束时，需要处理一下持久化保存一些数据，比方说要将数据写到硬盘上。那么就可以写一个析构函数，在析构函数中去处理

• 然后如果担心自己会忘记手动调用 DelInstance ，那么就可以通过设计一个类，类中实现一个析构函数

• 这个就是创建的时候创建一个 _gc，当 main 结束的时候 _gc 生命周期结束，然后调用它的析构函数，然后直接将单例对象进行析构。

懒汉单例模式总结：

1. 懒汉模式：第一次调用的时候才会创建初始化实例
2. 如果不加锁是会出现线程安全的问题
3. 但是加锁是会十分影响性能的，所以引入了双检查
4. 既要保证线程安全+又要保证效率的问题

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3.特殊类设计：只能在堆上创建对象的类

基本思路：

1. 将类的构造函数私有，拷贝构造声明成私有。防止别人调用拷贝在栈上生成对象
2. 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

//只能在堆上创建对象的类
class HeapOnly
{
public:
	static HeapOnly* CreateObj()
	{
		return new HeapOnly;
	}
 
	HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
 
private:
	HeapOnly()
	{}
	//HeapOnly(const HeapOnly&);
};
 
//HeapOnly::HeapOnly(const HeapOnly&)
//{}
 
int main()
{
	//HeapOnly ho;
	//HeapOnly* p = new HeapOnly;
	HeapOnly* p = HeapOnly::CreateObj();
	HeapOnly copy(*p);
	return 0;
}

• 我们可以看到，我们这里将构造函数放到 private 里面，那么类外面就不能调用构造函数，也就不能创建对象了，所以我们要想办法在类里设置一个接口可以调用构造函数，但是这个接口必须要是 static 的，因为如果不是静态的，那么类外必须要用实例化好的对象去调用，但是我们又不能在类外创建对象，我们调用这个接口就是为了创建对象

• 所以这里就有了一个问题，那么这时就要设置为静态的，这样外面直接就可以调用这个接口在堆上创建对象了

• 但是我们可以看到，虽然我们将构造函数设为私有不可以直接创建对象了，但是还是可以通过拷贝构造函数去在栈上创建对象！

• 所以还是老套路嘛，直接将拷贝构造在私有里声明一下就可以了

• 为什么这里直接声明一下就可以了呢？—> 因为：我们没有必要去实现，因为它没有人去用它，实现可以不实现也可以

• 构造函数需要实现，不能够只声明又是为什么？—> 因为：我们要用构造函数在堆上创建对象，简单来说就是上面的CerateObj里要去使用这个构造函数

• 虽然这个拷贝构造没有实现，只是声明了一下，但还是要将拷贝构造放到私有里面：

• 就有人有可能会在类外去定义，那么拷贝构造就又可以使用了，所以做事做绝，直接在私有里去声明就可以了

• 这个方法在 C++98 里叫做防拷贝

• 在 C++11 中还有一种方法，就是用关键字delete

• 我们可以看到，这个函数已经被删除了，所以不可以去调用了。而且如果我们将它放到公有里面，还是不可以使用的：

• 可以看到，是同样的效果

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4.特殊类设计：只能在栈上创建对象的类

方法一：和只能在堆上创建对象的类一样

class StackOnly
{
public:
	static StackOnly CreateObject()
	{
		return StackOnly();
	}
private:
	StackOnly()
	{}
};

还是和上面相同的做法，但是这里就不能禁用拷贝构造了，因为在返回的时候肯定是返回一个局部对象，所以 CreateObject 只能传值返回，但是只要是传值返回就肯定是要拷贝构造，那么如果把拷贝构造禁用了，那么返回的时候就会有问题

方法二：屏蔽new

因为new在底层调用void operator new(size_t size)函数，只需将该函数屏蔽掉即可，同时也要防止定位new

class StackOnly
{
public:
	StackOnly() {}
private:
	void* operator new(size_t size);
	void operator delete(void* p);
};
 
int main()
{
	StackOnly so;
	StackOnly* p = new StackOnly;
 
	static StackOnly sso;
	return 0;
}

• 这里是因为 new 的时候是由两部分构成，第一部分是申请空间调用 operator new ，默认是调用全局的 operator new，再调它的构造函数。但是一个类可以重载专属的 operator new，所以这时肯定就会调用专属的 operator new ，所以我们将 operator new 设为私有，那么这时就调用不动了

• 当然也可以用 C++11 的方法去实现

• 但是这个方法有缺陷，虽然可以在栈上创建对象，不能在堆上创建对象了：

• 但是可以在静态区去创建对象，所以这个方法是有一些缺陷的

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5.特殊类设计：不能被拷贝的类

1. 拷贝只会放生在两个场景中：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

• 对于C++98而言：将拷贝构造函数与赋值运算符重载只声明不定义，并且将其访问权限设置为私有即可

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

原因：

1. 设置成私有：如果只声明没有设置成private，用户自己如果在类外定义了，就可以不能禁止拷贝了
2. 只声明不定义：不定义是因为该函数根本不会调用，定义了其实也没有什么意义，不写反而还简单，而且如果定义了就不会防止成员函数内部拷贝了

• 对于C++11而言： C++11扩展 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;
	//...
};

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6.特殊类设计：不能被继承的类

对于C++98而言：

1. 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
2. 无法继承的原因是父类私有成员在子类不可见

class NonInherit
{
public:
	static NonInherit GetInstance()
	{
		return NonInherit();
	}
private:
	NonInherit()
	{}
};

• 也就是说子类的构造函数想要初始化父类的那一部分，不能自己去对那一部分去初始化，而是要调用父类的构造函数去初始化，所以我们只要将父类的构造函数设为私有的，那么子类就看不到父类的构造函数，也就无法对其初始化，也就不能够被继承
• 但是这里其实还是不够彻底的：

• 我们可以看到，其实是可以继承的，但是这里真正限制的是：

• 也就是子类继承后不能实例化出对象来，但是其实不能实例化出对象来，这个类就费了一半了，因为我们在使用类的时候基本都是实例化出对象，然后通过对象去进行一番操作
• 但这也是不彻底的，所以才有了 C++11 的一个关键字 final

对于C++11而言：使用final关键字，final修饰类，表示该类不能被继承

C++11 为了更直观彻底的实现不能被继承，增加了关键字 final