C++特殊类设计（单例模式）

C++特殊类设计（单例模式）

1.请设计一个类，不能被拷贝

• C++98
  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。

• C++11C++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;
      //...
  };
  

2. 请设计一个类，只能在堆上创建对象

实现方式：

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

//请设计一个类，只能在堆上创建对象
//思路1
class HeapOnly
{
public:
	void Destroy()
	{
		delete this;
	}
private:
	~HeapOnly()
	{
		cout << "~HeapOnly()" << endl;
	}
	int _x;
};
//思路2
class HeapOnly2
{
public:
	static HeapOnly2* CreateObj(int x = 0)
	{
		return new HeapOnly2(x);
	}
private:
	HeapOnly2(int x=0)
		:_x(x)
	{}
	HeapOnly2(const HeapOnly2& hp) = delete;
	HeapOnly2& operator=(const HeapOnly2& hp) = delete;
	int _x;
};

3. 请设计一个类，只能在栈上创建对象

将构造函数私有化，然后设计静态方法创建对象返回即可。

//请设计一个类，只能在栈上创建对象
class StackOnly
{
public:
	static StackOnly CreateObj(int x = 0)
	{
		return StackOnly(x);
	}
	StackOnly(StackOnly&& so)
		:_x(so._x)
	{}

private:
	StackOnly(int x = 0)
		:_x(x)
	{}
	StackOnly(const StackOnly& so) = delete;
	int _x;
};

4. 请设计一个类，不能被继承

• C++98

  // 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
  final关键字，final修饰类，表示该类不能被继承。

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

5.请设计一个类，只能创建一个对象(单例模式)

设计模式：

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。

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

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：第一次访问实例对象前创建
// 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;
	}
	void Add(const string& str)
	{
		mtx.lock();
		_v.push_back(str);
		++_n;
		mtx.unlock();
	}
	void Print()
	{
		mtx.lock();
		for (auto e : _v)
			cout << e << endl;
		mtx.unlock();
	}
	int getN()
	{
		return _n;
	}
private:
	//限制类外面随意创建对象
	Singleton()
	{}
private:
	int _n = 0;
	mutex mtx;
	vector _v;
	static Singleton* _ins;
};
Singleton* Singleton::_ins = new Singleton;

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。

懒汉模式

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
class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		//双检查加锁
		if (_ins == nullptr) //提高效率，不需要每次获取单例都加锁解锁
		{
			_imtx.lock();
			if (_ins == nullptr) //保证线程安全和只new一次
				_ins = new Singleton;
			_imtx.unlock();
		}
		return _ins;
	}
	//一般全局都要使用单例对象，所以单例对象一般不需要显示释放
	//有些特殊场景，想显示释放一下
	static void DelInstance()
	{
		_imtx.lock();
		if (_ins)
		{
			delete _ins;
			_ins = nullptr;
		}
		_imtx.unlock();
	}
	~Singleton()
	{
		cout << "~Singleton()" << endl;
		//持久化
		//比如要求程序结束时，将数据写到文件,单例对象析构时持久化就比较好
	}
	//内部类：单例对象回收
	class GC
	{
	public:
		~GC()
		{
			DelInstance();
		}
	};
	void Add(const string& str)
	{
		mtx.lock();
		//_v.push_back(str);
		++_n;
		mtx.unlock();
	}
	void Print()
	{
		mtx.lock();
		for (auto e : _v)
			cout << e << endl;
		mtx.unlock();
	}
	int getN()
	{
		return _n;
	}
private:
	//限制类外面随意创建对象
	Singleton()
	{}
	Singleton(const Singleton& sl) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton& sl) = delete;
private:
	int _n = 0;
	mutex mtx;
	vector _v;
	static Singleton* _ins;
	static mutex _imtx;
	static GC _gc;
};
Singleton* Singleton::_ins = nullptr;
mutex Singleton::_imtx;
Singleton::GC Singleton::_gc;

分析：懒汉和饿汉的优缺点
饿汉的缺点：
1.如果单例对象初始化很慢（如初始化动作多，还会伴随一些IO行为，如读取配置文件），main函数之前就要申请，第一，暂时不需要使用确占用资源，第二程序启动会受影响。
2.如果两个单例都是饿汉，并且有依赖关系，要求单例1再创建，单例2再创建，饿汉无法控制顺序，懒汉才可以。
饿汉的优点:
简单(相对懒汉而言)

懒汉完美的解决了上面饿汉的问题，就是相对复杂一点