C++特殊类设计（单例模式）

Posted 2023-04-08 命由己造～

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了C++特殊类设计（单例模式）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

一、设计模式概念
二、设计一个不能被拷贝的类
三、设计一个只能在堆上创建对象的类
- 3.1 私有构造
- 3.2 私有析构
四、设计一个只能在栈上创建对象的类
五、设计不能被继承的类
六、单例模式❗️❗️

一、设计模式概念

设计模式是一套被反复使用、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。
根本原因是为了代码复用，增加可维护性。

设计模式的例子：迭代器模式

二、设计一个不能被拷贝的类

拷贝一共就只有两个场景，一个是拷贝构造，一个是赋值运算符重载。所以我们想要设计出一个不能被拷贝的类只需要让外部无法调用这两个函数即可。

在C++98中，我们的方法是将拷贝构造和赋值运算符重载只声明不定义并且将权限设置为私有。

class anti_copy

public:
	anti_copy()
	
private:
	anti_copy(const anti_copy& ac);
	anti_copy& operator=(const anti_copy& ac);
;

设计原因：
1️⃣ 私有：如果声明成共有，那么就可以在类外面实现定义。
2️⃣ 只声明不定义：因为如果不声明编译器会默认生成这两个的默认成员函数。而不定义是因为该函数不会被调用，就不用写了，这样编译的时候就会出现链接错误。

而在C++11中引入了关键字——delete。
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。即使权限是共有也无法调用已删除的函数。

class anti_copy

public:
	anti_copy()
	
	anti_copy(const anti_copy& ac) = delete;
	anti_copy& operator=(const anti_copy& ac) = delete;
private:
;

三、设计一个只能在堆上创建对象的类

3.1 私有构造

首先要把构造函数给私有，不然这个类就可以在任意位置被创建。而构造函数被私有了以后我们怎么创建对象呢？
我们可以在定义一个成员函数，让这个函数在堆上申请空间，但我们知道必须现有对象才能调用成员函数。所以我们就把这个函数设置成静态成员函数。

class OnlyHeap

public:
	static OnlyHeap* GetObj()
	
		return new OnlyHeap;
	
private:
	OnlyHeap()
	
;

但是这样也不完全对，如果我们这么写：

class OnlyHeap

public:
	static OnlyHeap* GetObj()
	
		return new OnlyHeap;
	
private:
	OnlyHeap()
	
;

int main()

	OnlyHeap* hp1 = OnlyHeap::GetObj();
	OnlyHeap hp2(*hp1);
	return 0;

这里的hp2就是栈上的对象。所以我们也要把拷贝构造给封住。

class OnlyHeap

public:
	static OnlyHeap* GetObj()
	
		return new OnlyHeap;
	

	OnlyHeap(const OnlyHeap& hp) = delete;
private:
	OnlyHeap()
	
;

3.2 私有析构

class OnlyHeap

public:
	OnlyHeap()
	

	OnlyHeap(const OnlyHeap& hp) = delete;
private:
	~OnlyHeap()
	
;

int main()

	OnlyHeap hp1;// error
	OnlyHeap* hp2 = new OnlyHeap;
	return 0;

这里的hp1就不能创建成功，因为对象销毁的时候会调用析构函数，但是这里的析构是私有的，所以该对象无法调用。

但是我们要销毁hp2该怎么办呢？
我们可以定义一个成员函数显示调用析构函数。

class OnlyHeap

public:
	OnlyHeap()
	

	OnlyHeap(const OnlyHeap& hp) = delete;

	void Destroy()
	
		this->~OnlyHeap();
	
private:
	~OnlyHeap()
	
;

int main()

	OnlyHeap* hp2 = new OnlyHeap;
	hp2->Destroy();
	return 0;

四、设计一个只能在栈上创建对象的类

为了不让这个类随便定义出对象，首先要把构造函数私有。然后跟上面只能在堆上创建对象的方法相似，定义出一个静态成员函数返回栈上创建的对象。

class StackOnly

public:
	static StackOnly GetObj()
	
		return StackOnly();
	
private:
	StackOnly()
	
;

int main()

	StackOnly hp = StackOnly::GetObj();
	return 0;

但是这里有一个问题，无法防止创建静态对象：

static StackOnly hp2 = StackOnly::GetObj();

五、设计不能被继承的类

在C++98，为了不让子类继承，我们可以把构造函数私有化，因为子类需要先调用父类的构造函数初始化父类的那一部分成员。

class NoInherit

public:
private:
	NoInherit()
	
;

而在C++11中引入的新的关键字final，被final关键字修饰的类不能被继承。

class NoInherit final

public:
private:
;

六、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。

单例模式的特点就是全局只有一个唯一对象。

6.1 饿汉模式

怎么能做到全局只是用一个对象呢，比方说我们现在想要实现一个英汉字典，首先我们要把构造函数私有，不然无法阻止创建对象。然后我们可以在类里面定义一个自己类型的静态成员变量，作用域是全局的。因为对比定义在外边的静态成员变量，内部的可以调用构造函数。
这里要注意把拷贝也要封住。

class Singleton

public:
	static Singleton& GetObj()
	
		return _s;
	

	void insert(const std::string& s1, const std::string& s2)
	
		_dict[s1] = s2;
	

	void Print()
	
		for (auto& e : _dict)
		
			cout << e.first << "->" << e.second << endl;
		
	

	// 防拷贝
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
private:
	Singleton()
	

	std::map<std::string, std::string> _dict;
private:
	static Singleton _s;// 声明
;

Singleton Singleton::_s;// 定义

int main()

	Singleton::GetObj().insert("corn", "玉米");

	Singleton& dic1 = Singleton::GetObj();
	dic1.insert("apple", "苹果");
	dic1.insert("banana", "香蕉");

	Singleton& dic2 = Singleton::GetObj();
	dic2.insert("pear", "梨");

	dic2.Print();
	return 0;

饿汉模式有什么特点呢？

它会在一开始（main之前）就创建对象。

饿汉模式有什么缺点呢？

1️⃣ 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。
2️⃣ 多个单例类之间如果有依赖关系饿汉模式就无法控制，比方说要求A类初始化时必须调用B，但是饿汉无法控制先后顺序。

所以针对这些问题，就有了懒汉模式。

6.2 懒汉模式

第一次使用实例对象时，创建对象（用的时候创建）。进程启动无负载。多个单例实例启动顺序自由控制。

我们可以直接对上面饿汉模式的代码进行修改，把静态成员变量变成指针。然后把获取的函数改变一下：

static Singleton& GetObj()
	
		// 第一次调用才会创建对象
		if (_s == nullptr)
		
			_s = new Singleton;
		
		return *_s;

整体代码：

class Singleton

public:
	static Singleton& GetObj()
	
		// 第一次调用才会创建对象
		if (_s == nullptr)
		
			_s = new Singleton;
		
		return *_s;
	

	void insert(const std::string& s1, const std::string& s2)
	
		_dict[s1] = s2;
	

	void Print()
	
		for (auto& e : _dict)
		
			cout << e.first << "->" << e.second << endl;
		
	

	// 防拷贝
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
private:
	Singleton()
	

	std::map<std::string, std::string> _dict;
private:
	static Singleton* _s;// 声明
;

Singleton* Singleton::_s = nullptr;// 定义

6.2.1 线程安全问题

上面的代码存在问题，当多个线程同时调用GetObj()，就会创建多个对象。所以为了线程安全我们要加锁。为了保证锁自动销毁，我们可以自定义一个锁。

template <class Lock>
class LockAuto

public:
	LockAuto(Lock& lk)
		: _lk(lk)
	
		_lk.lock();
	

	~LockAuto()
	
		_lk.unlock();
	
private:
	Lock& _lk;
;

class Singleton

public:
	static Singleton& GetObj()
	
		// 第一次调用才会创建对象
		if (_s == nullptr)// 只有第一次才用加锁
		
			LockAuto<mutex> lock(_mutex);
			if (_s == nullptr)
			
				_s = new Singleton;
			
		
		return *_s;
	

	void insert(const std::string& s1, const std::string& s2)
	
		_dict[s1] = s2;
	

	void Print()
	
		for (auto& e : _dict)
		
			cout << e.first << "->" << e.second << endl;
		
	

	// 防拷贝
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
private:
	Singleton()
	

	std::map<std::string, std::string> _dict;
private:
	static Singleton* _s;// 声明
	static mutex _mutex;// 锁
;

Singleton* Singleton::_s = nullptr;// 定义
mutex Singleton::_mutex;// 定义

6.2.2 新写法

class Singleton

public:
	static Singleton& GetObj()
	
		static Singleton dic;
		return dic;
	

	void insert(const std::string& s1, const std::string& s2)
	
		_dict[s1] = s2;
	

	void Print()
	
		for (auto& e : _dict)
		
			cout << e.first << "->" << e.second << endl;
		
	

	// 防拷贝
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
private:
	Singleton()
	

	std::map<std::string, std::string> _dict;
;

这里就用了静态局部变量只会在第一次定义的时候初始化。在C++11之前是不能保证线程安全的，但是C++11之后就可以了。

特殊类设计（C++面试常考）

1、请设计一个类，只能在堆上创建对象

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。
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* CreateObject()
	
		return new HeapOnly;
	
private:
	HeapOnly() 
	// C++98
	// 1.只声明,不实现。因为实现可能会很麻烦，而你本身不需要（没有人用）
	// 2.声明成私有
	HeapOnly(const HeapOnly&);
	// or
	// C++11   delete，表示禁止生成拷贝构造
	HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
;
int main()

	HeapOnly* p = HeapOnly::CreateObject();

	return 0;

2、请设计一个类，只能在栈上创建对象

方法一：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。

class StackOnly

public:
	static StackOnly CreateObject()
	
		return StackOnly();
	
private:
	StackOnly() 
;

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。
注意：也要防止定位new

class StackOnly

public:
	StackOnly() 
private:
	//C++98
	void* operator new(size_t size);
	void operator delete(void* p);
	//C++11
	void* operator new(size_t size) = delete;
	void operator delete(void* p) = delete;
;
int main()

	StackOnly p;
	static StackOnly s;//缺陷：没有禁掉在静态区的对象

3、请设计一个类，不能被拷贝

这个设计，前面已经用到了。
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。

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：

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，就不能禁止拷贝了。
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++11：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;
	//...
;

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（父类也就无法实例化对象）。

C++98中这个不能被继承的方式不够彻底，实际是可以继承，限制的是子类继承后不能实例化对象。

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（final意味是最后一个类，无法继承）。

class A final

	// ....
;

5、请设计一个类，只能创建一个对象(单例模式)

我们先简单的介绍什么是设计模式：

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。

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》。孙子兵法也是类似。

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。

单例模式有两种实现模式

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。

饿汉模式

定义：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。

如何保证全局(一个进程中)只有一个唯一实例对象

构造函数私有定义。拷贝构造和赋值防拷贝禁掉
提供一个GetInstance获取单例对象

// 饿汉模式 -- 程序开始main执行之前就创建单例对象
// 提供一个静态指向单例对象的成员指针，初始化时new一个对象给它
// 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;//静态对象
		//return m_instace2;//静态对象指针
	
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;//静态对象，也可以是指针
	static Singleton* m_instance2;
;
Singleton Singleton::m_instance; // 在程序入口之前就完成单例对象的初始化
Singleton* Singleton::m_instance2 = new Singleton;
int main()

	Singleton::GetInstance();
	return 0;

饿汉模式适合场景：

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。

饿汉模式不适合场景：

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。

比如开机，我们希望一直卡在启动界面嘛？还是先进界面，后加载其他插件？当然是先启动后加载，不然一直等待，速度非常缓慢，体验非常不好。对于这种情况，使用懒汉模式（延迟加载）更好。

懒汉模式

// 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() 
		// 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
		// 保护第一次需要加锁，后面都不需要加锁的场景，可以使用双检查加锁
		// 特点：第一次加锁，后面不加锁，保护线程安全，同时提高了效率
		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   一般情况下不考虑释放，会自动释放
	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() ;// 假设单例类构造函数中，要做很多配置初始化
	// 防拷贝
	~Singleton() ;// 程序结束时，需要处理一下，持久化保存一些数据
	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;

关于为什么要加锁：

假设线程1和线程2都在调用 getInstance() 方法，此时 m_pInstance 对象为空，线程1和线程2都能通过 if 判断进入同步代码块，只是线程1进入锁定的代码中执行创建实例的代码时，线程2处于等待状态，当线程1执行完成后，线程2并不知道实例已经创建完成，因此线程2将继续创建新的实例，这时将导致产生两个实例对象，违背了单例模式的设计思想。

关于为什么是double check：

线程1此时去调用getInstance() 方法，此时 m_pInstance 对象为空，那么线程1就创建对象，线程2等待线程1执行完毕，如果此时 m_pInstance 对象不为空，说明已经被使用了，也就不用再进去解锁加锁，这样的好处是不用频繁切换线程，提高效率。

其他版本的懒汉模式：局部静态对象

class Singleton

public:
	static Singleton* GetInstance()
	
		//局部静态 
		static Singleton inst;

		return &inst;
	
	void Print()
	
		cout << "Print()" << _a << endl;
	
private:
	Singleton()
		:_a(0)
	
		// 假设单例类构造函数中，要做很多配置初始化
	
	~Singleton()
	
		// 程序结束时，需要处理一下，持久化保存一些数据
	
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
	int _a;
;

这种模式了解就好，缺点：1、单例对象在静态区，如果单例对象太大，不太好，不合适。2、想主动释放单例对象，无法主动控制。

懒汉模式和饿汉模式的对比

饿汉

优点：简单

缺点：
1、如果单例对象构造函数工作比较多，会导致程序启动慢,迟迟进不了入口main函数
2、如果有多个单例对象，他们之间有初始化依赖关系，饿汉模式也会有问题。

 比如有A和B两个单例类，要求A单例先初始化，B必须在A之后初始化。那么饿汉无法保证
 这种场景下面用懒汉就可以，懒汉可以先调用A::GetInstance(),再调用B::GetInstance().

懒汉

优点：解决上面饿汉的缺点。因为他是第一次调用GetInstance时创建初始化单例对象。
缺点：相对饿汉，复杂一点点。

以上是关于C++特殊类设计（单例模式）的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章