特殊类的设计（含单例模式）

news2024/12/30 2:20:07

文章目录

一、设计一个不能被拷贝的类
二、设计一个只能在堆上创建的类
三、设计一个只能在栈上创建的类
四、设计一个不能被继承的类
五、单例模式
- 1.懒汉模式
- 2.饿汉模式

一、设计一个不能被拷贝的类

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;
    //...
};

二、设计一个只能在堆上创建的类

方式一：

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* CreatObject() { return new HeapOnly(); }
private:
	HeapOnly() {}
	HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
};

这种方式需要提供创建对象的接口，那么有没有其它方式呢？

在这里插入图片描述

方式二：

将析构函数设置为私有。
另外生成一个public权限函数来，释放对象。

class HeapOnly {
public:
	HeapOnly() {}
private:
	~HeapOnly() {}
};

原因：C++是静态绑定语言，编译器管理栈上对象的生命周期，编译器在为类对象分配栈空间时，会先检查类的析构函数的访问性。若析构函数不可访问，则不能在栈上创建对象。

在这里插入图片描述

三、设计一个只能在栈上创建的类

方法：将 new 和 delete 重载为私有。

在堆上生成对象，使用new关键词操作，其过程分为两阶段：第一阶段，使用new在堆上寻找可用内存，分配给对象；第二阶段，调用构造函数生成对象。

将new操作设置为私有，那么第一阶段就无法完成，就不能够再堆上生成对象。

class StackOnly {
private:
	int _a;
public:
	void* operator new(size_t size) = delete;
	void operator delete(void* p) = delete;

	StackOnly() :_a(0) {}

};

四、设计一个不能被继承的类

C++98：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
{
    // ....
};

五、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。

1.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，初始化网络连接，读取文件等，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。

懒汉模式version1 -> 问题1：线程安全问题2：内存泄露

class Singleton {
private:
	static Singleton* _instance;
	Singleton() { cout << "构造函数" << endl; }
	Singleton(const Singleton& s) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
public:
	static Singleton* getInstance()
	{
		if (_instance == nullptr)
			_instance = new Singleton();
		return _instance;
	}
	~Singleton() { cout << "析构函数" << endl; }

};
Singleton* Singleton::_instance = nullptr;

运行上面的代码我们发现资源没有释放：

在这里插入图片描述

针对资源释放的问题，我们可以通过实现一个内嵌的垃圾回收类，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：

class Singleton {
public:
	static Singleton* getInstance()
               	{
		if (_instance == nullptr)
			_instance = new Singleton();
		return _instance;
	}
	~Singleton() { cout << "析构函数" << endl; }

public:
	// 实现一个内嵌垃圾回收类    
	class CGarbo {
	public:
		~CGarbo() { 
			if (Singleton::_instance != nullptr) { delete Singleton::_instance; }
		}
	};
	// 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:
	static Singleton* _instance;
	Singleton() { cout << "构造函数" << endl; }
	Singleton(const Singleton& s) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};
Singleton* Singleton::_instance = nullptr;
Singleton::CGarbo Garbo;

懒汉模式version2 -> 不足：要求使用智能指针，锁有开销

我们不仅可以用内部类的思想来解决资源泄露的问题，还可以使用智能指针：


class Singleton {
public:
	typedef shared_ptr<Singleton> Ptr;
	static Ptr getInstance()
	{
		if (_instance == nullptr)
		{
			std::lock_guard<std::mutex> _lck(_mtx);
			if (_instance == nullptr)
				_instance = shared_ptr<Singleton>(new Singleton());
		}
		return _instance;
	}
	~Singleton() { cout << "析构函数" << endl; }

private:
	static Ptr _instance;
	static std::mutex _mtx;
private:
	Singleton() { cout << "构造函数" << endl; }
	Singleton(const Singleton& s) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};
Singleton::Ptr Singleton::_instance = nullptr;
std::mutex Singleton::_mtx;

shared_ptr和mutex都是C++11的标准，以上这种方法的优点是：

基于 shared_ptr, 用了C++比较倡导的 RAII思想，用对象管理资源,当 shared_ptr 析构的时候，new 出来的对象也会被 delete掉。以此避免内存泄漏。
加了锁，使用互斥量来达到线程安全。这里使用了两个 if 判断语句的技术称为双检锁；好处是，只有判断指针为空的时候才加锁，避免每次调用 get_instance的方法都加锁，提高效率。

不足之处在于：

使用智能指针会要求用户也得使用智能指针，非必要不应该提出这种约束; 使用锁也有开销; 同时代码量也增多了，实现上我们希望越简单越好。
还有更加严重的问题，在某些平台（与编译器和指令集架构有关），双检锁会失效！

懒汉模式version3 -> Meyers’s 的单例

C++11 规定了 local static 在多线程条件下的初始化行为，要求编译器保证了内部静态变量的线程安全性。在 C++11 标准下，《 Effective C++》提出了一种更优雅的单例模式实现，使用函数内的 local static 对象。这样，只有当第一次访问getInstance()方法时才创建实例。这种方法也被称为Meyers' Singleton。

class Singleton {
private:
	Singleton() { cout << "构造函数" << endl; }
	~Singleton() { cout << "析构函数" << endl; }
	Singleton(const Singleton& s) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
public:
	static Singleton& getInstance()
	{
		static Singleton _instance;
		return _instance;
	}
};

2.饿汉模式

单例实例在程序运行时被立即执行初始化，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。：

class Singleton
{
private:
	static Singleton _instance;
private:
	Singleton() { cout << "构造函数" << endl; }
	~Singleton() { cout << "析构函数" << endl; }
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
public:
	static Singleton& getInstance() { return _instance; }
};
Singleton Singleton::_instance;