【C++高阶(八)】单例模式&特殊类的设计

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1. 前言

在实际场景中,总会遇见一些特殊情况,
比如设计一个类,只能在堆上开辟空间,
亦或者是设计一个类只能实例化一个对象
在实际需求的场景下,来学习这节实用课

本章重点:

本篇文章着重讲解如何设计一些特殊
的类,包括不能被拷贝,只能在栈/堆上
创建对象以及此类只能实例化一个对象,
这也就是题目中的单例模式,单例模式又
包含饿汉和懒汉模式,文章都是干货
请同学们耐心学习!

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2. 设计一个不能被拷贝/继承的类

1. 设计一个不能被拷贝的类

C++11中引入的关键字delete
就能很好的解决这个问题,并且
不仅仅要禁用拷贝,还有赋值!

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

在C+98中,也有方法能够解决,
那就是显示将拷贝构造函数和
赋值运算符重载函数私有化!

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

2. 设计一个不能被继承的类

使用关键字final就能解决问题

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

在C++98中,将构造函数私有化也能
达到目的,因为子类的构造会调用基类
的构造,如果私有了基类的构造就会报错!

class NonInherit
{
private:
	NonInherit()
	{}
};

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3. 只能在堆上创建对象的类

只能在堆上创建对象的含义就是
必须使用new来创建对象.

本篇文章是实用性的,就直接讲方法了:

1. 将析构函数私有化

将析构函数私有化后,由于对象析构时并不能调用到析构函数,所以不管是在堆上还是栈上创建对象都会报错!但是我们可以特殊处理,在共有域定义一个函数,此函数显示调用析构!

//思路一,封析构函数
class HeapOnly
{
public:
	void destory()
	{
		delete this;
	}
private:
	~HeapOnly()
	{
		cout<<"调用析构成功!"<<endl;
	}
};

能否达到目的大家可以自行测试!

2. 将构造函数私有化

将构造函数设置为私有后,不管是在堆上还是栈上都不能创建对象,但是我们可以在共有域写一个函数显示去调用构造函数,注意,这里的共有域函数必须设置为static类型,因为必须有了对象后才能调用函数,但是要调用了此函数才能创建对象,就会出现先有鸡还是先有蛋的问题,所以设置为static后,可以用类域调用!

//思路二,封构造函数
class HeapOnly
{
public:
	static HeapOnly* CreateObject(int x = 0)
	{
		return new HeapOnly(x);
	}
private:
	HeapOnly(int x = 0):_x(x)
	{}
	int _x;
};

3. 以上两种方案真的就ok了吗?

事实上并不够ok,因为即使封掉了析构
或者是构造,人们也能用拷贝构造或
赋值来在栈上开辟空间,比如在方法二
中,我们可以这样打破规则:

HeapOnly* ho1 = HeapOnly::CreateObject(10);
HeapOnly ho(*ho1);

所以在上面两种方案的基础上
要禁用拷贝构造和赋值重载两个函数!

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4. 只能在栈上创建对象的类

有了前面的思想,解决这个类型
的问题就显示很小儿科了!

同上将构造函数私有化然后设计
静态方法创建对象返回对象即可

class StackOnly
{
public:
	static StackOnly CreateObj()
	{
		return StackOnly();
	}

// 禁掉operator new可以把下面用new 调用拷贝构造申请对象给禁掉
// StackOnly obj = StackOnly::CreateObj();
// StackOnly* ptr3 = new StackOnly(obj);
	void* operator new(size_t size) = delete;
	void operator delete(void* p) = delete;
private:
	StackOnly()  
		:_a(0)
	{}
	private:
	int _a;
};

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5. 只能实例化一个对象的类的介绍

一个类只能实例化一个对象
这就是大名鼎鼎的"单例模式"

谈单例模式前,先谈设计模式:

单例模式就是设计模式中的一种:

单例模式在实际场景下使用非常广泛
如果你恰好在读我的并发内存池项目
亦或者是你学过线程池(thread pool),
这里都能看见单例模式的影子,并且,
单例模式有两种实现模式:

• 饿汉模式: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
• 懒汉模式:第一次使用时才创建一个唯一的实例对象

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6. 饿汉模式的具体实现

注意,这里实现的是样例(demo)代码,在
不同的工程场景下需要大家做灵活的变换

// 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 _ins;
	}
private:
	//限制类外随意创建对象
	Singleton(const Singleton& s) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete;
	Singleton()
	{}
private:
	static Singleton* _ins;
};
Singleton* Singleton::_ins = new Singleton;

单例模式的饿汉模式中,程序一启动就会
把_ins,也就是唯一的实例对象给初始化,
并且由于构造函数被私有了,只能调用共
有的GetInstance()函数获取_ins对象,又
由于这个对象是static类型的,所以不管你
调用多少次GetInstance()都获取的是同
一个对象,也就是_ins

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7. 懒汉模式的具体实现

//懒汉模式
class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		if (_ins == nullptr)//双检查加锁,只有第一次进来时需要加锁,其他情况不用加锁
		{
			imtx.lock();
			if (_ins == nullptr)//第一次调用才创建实例!
			{
				_ins = new Singleton;
			}
			imtx.unlock();
		}
		
		return _ins;
	}
	void DelInstance()
	{
		imtx.lock();
		if (_ins != nullptr)
		{
			cout << "over!!!" << endl;
			delete _ins;
			_ins = nullptr;
		}
		imtx.unlock();
	}
private:
	//限制类外随意创建对象
	Singleton(const Singleton& s) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete;
	Singleton()
	{}
private:
	static Singleton* _ins;
	static mutex imtx;
};
Singleton* Singleton::_ins = nullptr;
mutex Singleton::imtx;

与饿函数模式不同的是,懒汉模式在多线程
情况下有线程安全问题,所以在第一次拿唯
一的对象前需要加锁,并且对象在程序启动
时被置空了,只有调用了GetInstance()才会
真正的分配空间

当然,这两个模式都是样例代码,大家要随机应变

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8. 总结以及拓展

特殊类的设计这块儿,大家需要在写某些
项目的时候真正运用到它才能体会出它
的作用和奥妙之处,总的来说单例模式是
使用很广泛并且很有用的一种设计模式!

对设计模式的拓展:

常见的设计模式不仅仅有单例模式,还有工厂模式、抽象工厂模式、适配器模式、装饰者模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式、观察者模式和命令模式等,如果大家有兴趣的话可以阅读这篇文章拓展自己的知识

C++常见的11种设计模式

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下期预告:C++类型转换以及IO流