【c/c++】C++静态工具类和单例模式对比学习

序言

• 比较C++ static（伪）静态（工具）类和单例模式的异同，方便工作中正确选用实现方式

• 说明：Java/C#等高级语言支持静态类，C++不直接支持静态类的概念，但是可以通过一些技巧来实现类似的功能：仅包含静态成员 + 私有构造函数防止类实例化，所以这里称其为伪静态类

1. static静态成员

• 说明2：C++静态成员和静态函数

  • (1) static修饰成员变量，即为静态成员变量；修改成员方法，即为静态成员方法
  • (2) 静态成员存储在全局变量区，属于类本身，不属于对象；可通过类访问，也可通过实例化后的对象访问；因此静态成员不能在构造函数中初始化，因为构造函数是用来构造单个对象的，而静态成员属于类；也不能用初始化列表来初始化
  • (3) 静态成员在类外初始化时分配内存，程序结束时释放，等同于全局变量
    静态局部变量作用域仅限于函数内部，别的函数不能访问；
    静态全局变量作用域仅限于定义它的源文件，而不是所有源文件
  • (4) 静态成员变量在对象中不占用存储空间
  • (5) 静态方法中只能访问静态成员变量和方法；如果确实需要访问非静态成员，应该通过函数传参方式

• 静态成员变量只是表面上遵守面向对象，在类中可通过对象调用；一定程度上破坏了面向对象，因为没对象用类名也能直接调用静态成员；静态变量可以看做类外的全局变量和全局函数被封装在了类内部，与非静态变量和成员区别很大

2. C++(伪)静态工具类

• 静态工具类

  • (1) class声明时使用static，整个类是静态类；
  • (2) 静态类内部全是静态成员，没有非静态成员；
  • (3) 静态类的成员不能有protected或protected internal访问保护修饰符；可以有public、private限制符
  • (4) 静态类不能被实例化，因为不用实例化非静态成员；C++中私有构造函数可以防止类的实例化；静态类存储在全局变量区，生存周期和程序一致
  • (5) 静态类的初始化在类外进行，前面不加static，以免与外部静态变量相混淆；也不能使用this关键字，因为已经实例化并开辟了内存；初始化时不加访问限制符private、public等
  • (6) 静态类不能包含构造函数，但仍可声明静态构造函数以分配初始值或设置某个静态状态；
  • (7) 静态类不能指定任何接口实现，不能有任何实例成员，不能使用abstract或sealed修饰符
  • (8) 静态类成员/函数通过类名::进行访问和调用，不通过对象就可以调用
  • (9) 静态类是密封的，不能被继承，不能拿来做父类

• C++中构造函数定义为private为什么能防止类的实例化

  • 1. 私有构造函数无法在类的外部被访问：私有构造函数只能在类的内部被调用，无法在类的外部被访问和调用。因此，无法通过在类的外部实例化对象来创建类的实例
  • 2. 继承关系下的限制：如果将构造函数定义为protected，子类可以调用父类的protected构造函数来创建父类的实例。但是，如果构造函数是private，子类无法调用父类的private构造函数，因此无法创建父类的实例

• C++（伪）静态类的实现

头文件 xxx.h

class MapUtil {
// 所有成员均为static
public:
	static const HdMap& HdMap();
	static const PercepMap& PercepMap();
	static const FusionMap& FusionMap();

private:
	static std::unique_ptr<HdMap> hdmap_;
	static std::mutex hdmap_mutex_;

	static std::unique_ptr<PercepMap> percep_map_;
	static std::mutex percep_map_mutex_;

	static std::unique_ptr<FusionMap> fusion_map_;
	static std::mutex fusion_map_mutex_;

private:					// 不能有protected访问修饰符
	MapUtil() = delete;		// 私有构造函数防止实例化，静态成员不属于任何对象
};

源文件 xxx.cc

// 不加static也不加访问限制符
std::unique_ptr<HdMap> MapUtil::hdmap_ = nullptr;
std::mutex MapUtil ::hdmap_mutex_;

const HdMap& MapUtil::HdMap()
{
	std::lock_guard<std::mutex> lock(hdmap_mutex_);
	if (hdmap_ != nullptr) {
	return *(hdmap_.get());		// 不推荐这样使用
} else {
	hdmap_ = CreateHdMap();
}
return *(hdmap_.get());
}

3. 单例模式

• 单例模式设计模式中最基础最简单的一种，也是C++中常见的模式之一
• 这里重点介绍Meyer单例

3.1 单例模式的特点

• （1） 一个类只有一个实例
• （2） 该实例在运行周期内始终存在
• （3） 该实例可以被全局访问

3.2 单例模式的实现方式

• （1）饿汉式单例模式
  • 也称为静态单例模式；
  • 程序运行之前就创建，因此是线程安全的；
  • 构造析构函数私有，防止外部创建对象，通过puclic getinstance访问
• （2）懒汉式单例模式和双重检查锁懒汉式单例模式
  • 在getInstance被调用时才会创建单例对象；
  • 普通懒汉式单例模式，线程不安全；
  • 改进懒汉式单例模式，加双重检查锁，保证线程安全、避免资源浪费
• （3）Meyer单例模式
  • 利用C++ 11中local static变量的线程安全特性，因此是线程安全的；
  • 构造析构函数私有，不能外部创建对象，通过puclic getinstance访问
  • 在第一次调用时才创建单例，类似懒汉模式，此后每次获取都返回同一实例；
  • 实例内静态局部变量在程序生命周期内只会被创建一次，具有线程安全性，不需加锁

3.3 单例模式的缺点

• （1）单例模式的代码比较复杂，可能需要在多线程环境下使用同步锁等机制，以保证单例对象的唯一性和线程安全性
• （2） 单例对象在整个应用程序的生命周期内都存在于内存中，可能会占用较多的系统资源，特别是在单例对象比较庞大或需要长时间运行的情况下；
• （3）单例模式在某种程度上违反了面向对象设计的一些原则，例如开闭原则、依赖倒置原则等，因为它将对象的创建和使用耦合在一起，不太容易进行单元测试、模块化开发等；
• 单例模式在一些场景下非常有用，但也不能滥用单例模式，需要确保它是最优解决方案

3.4 Meyer Singleton单例模式

class Singleton
{
public:
    static Singleton& Instance()
{
	/* 静态局部变量，第一次调用时初始化，全局生命周期 */
        static Singleton instance;
        return instance;
    }
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton(Singleton&&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(Singleton&&) = delete;
private:
    Singleton() = default;
    ~Singleton() = default;
};

• 不暴露单例的构造析构函数，保证单例类不会通过其他途径被实例化
• 禁用单例类的拷贝构造、移动构造和赋值构造函数，防止类的唯一实例被拷贝或移动

4. (伪)静态工具类 vs 单例模式

4.1 区别

• （1） 实例：

  • 静态类没有实例，所有成员都是静态的，不需要实例化；
  • 单例有唯一实例，提供成员的访问接口

• （2） 初始化：

  • 静态类在第一次加载时初始化；
  • 静态类如懒汉模式可以延迟初始化

• （3） 扩展性：

  • 静态类通常不能扩展
  • 单例类可以实现接口、继承或者其他使用方法扩展，接口可覆写

• （4） 全局访问：

  • 静态类通过类名直接访问成员；
  • 单例类提供全局访问点，以在整个程序中共享状态

• （5） 访问效率：

  • 静态类被认为有更好的访问效率；

• （6） 可测试性：

  • 单例模式更容易测试

• （7） 状态维护：

  • 单例模式更方便于维护状态，如果不需要维护任何状态，则适合用静态类；
  • 在一些框架中，单例对象更好管理

• （8） 面向对象

  • 单例模式比静态类更加面向对象，单例可以使用继承和多态，继承基类，实现自己的接口，提供不同的功能，返回不同的实现对象

4.2 如何选择

• （1） 静态类适合一些工具类xxx_Util，如地图类MapUtil()
• （2） 如果单例不维护任何状态，与实例对象无关，不考虑继承和多态，只提供全局访问，适合用静态类
• （3） 从线程安全、性能、兼容性上来看，也是选用实例化方法为宜

4.3 一些释疑

• （1） 静态类常驻内存，单例对象不是，所以静态效率高但占内存，类似空间换时间
  • 不是。首次加载后都常驻内存，都放在method table中，效率区别很小，静态类并没有很高效
• （2） 静态类在堆上分配内存，单例在栈上分配内存
  • 不是。静态成员存储在全局变量区，单例类的对象都有自己的存储区域，普通成员变量存储在栈区
• （3） 单例要先创建再使用，静态类直接使用，所以静态类更简单
  • 不是。单例的引入是为了更模式化、更面向对象化，单例和静态类的区分是为了解决模式问题，如“人类”和单个人。如果确实需要使用实例，那创建实例对象就是必须的，没有麻烦简单一说，如何选择见5.2所示

 

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【参考文章】
[1]. C++静态类实现
[2]. C++中的静态成员
[3]. C++静态成员和静态类
[4]. C++静态成员和静态类，推荐
[5]. C++静态类
[6]. C++单例模式
[7]. C++单例模式介绍，推荐
[8]. 静态变量
[9]. Meyer单例
[10]. Meyer单例，推荐
[11]. 静态类vs单例模式
[12]. 静态类vs单例模式，推荐
[13]. 静态类 vs单例模式

created by shuaixio, 2024.02.18