【C++】设计模式详解：单例模式

文章目录

Ⅰ. 设计一个类，不允许被拷贝
Ⅱ. 请设计一个类，只能在堆上创建对象
Ⅲ. 请设计一个类，只能在栈上创建对象
Ⅳ. 请设计一个类，不能被继承
Ⅴ. 请设计一个类，只能创建一个对象（单例模式）
💥单例模式：
- 1、饿汉模式
- 2、懒汉模式
- - 第一种写法：
  - 第二种写法：

Ⅰ. 设计一个类，不允许被拷贝

拷贝只会发生在两个场景中：拷贝构造函数、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 的方式：
1. 设置成私有：如果只声明而没有设置成 private，用户自己如果在类外定义了，还是等于可以拷贝
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，而且如果定义了就做不到防止成员函数内部拷贝了。
```
class CopyBan
{
	// ......
private:
	// 设为私有，只声明不实现
	CopyBan(const CopyBan&);
	CopyBan& operator=(const CopyBan&);
};
```
C++11 的方式：
- C++11中扩展了 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
{
	// 直接使用delete关键字
	CopyBan(const CopyBan&) = delete;
	CopyBan& operator=(const CopyBan&) = delete;

	// ......
};
```

Ⅱ. 请设计一个类，只能在堆上创建对象

实现方式：

将类的构造函数私有化，并将拷贝构造的声明也私有化，防止别人调用拷贝在栈上生成对象。（或者用 default、delete 关键字也行）
提供一个完成堆对象创建的静态成员函数。

顺便提一下，有人采用将析构函数变成私有的方法来使类的默认构造函数、拷贝构造、赋值重载不会自动生成，这也是可以的，但是这时候就需要我们手动去写一个释放的函数来调用，所以一般我们也只用上面的方法，而这种 将析构函数私有的方法不常用！

class HeapOnly
{
public:
	// static的好处就是我们不需要对象就可以在类外通过类名::函数名直接访问
	static HeapOnly* CreateObject()
	{
		return new HeapOnly;
	}
private:
	// 默认构造函数不能直接封掉，因为上面的CreateObject()需要调用
	// 可以只声明不实现，这里直接使用default关键字
	HeapOnly() = default;
	
	// 拷贝构造和赋值重载要封掉，防止拷贝产生栈空间对象
	HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
	HeapOnly& operator=(const HeapOnly&) = delete;
};

int main()
{
	HeapOnly* h1 = HeapOnly::CreateObject();

	// HeapOnly h2 = h1; // ❌
	// static HeapOnly h3; // ❌

	static HeapOnly* h3 = HeapOnly::CreateObject(); // 本质还是一个指向堆空间的对象
	cout << typeid(h3).name() << endl;
	return 0;
}

// 运行结果：
class HeapOnly * __ptr64

Ⅲ. 请设计一个类，只能在栈上创建对象

方法一：同上面那种情况一样，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() = default;

	/* 或者只声明不定义
	StackOnly()
	{}
	*/
};

int main()
{
	StackOnly s1 = StackOnly::CreateObject();

	StackOnly* s2 = new StackOnly; // ❌
	static StackOnly s3; // ❌
	return 0;
}

方法二：屏蔽 operator new 和 operator delete。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：要防止定位 new。
- 这种方法其实是不太好使的，因为就算我们禁用了 operator new 或者 operator delete，我们也很难防止其在静态区中产生对象，如果使用这种方法，那么还是得和方法一一样，将构造函数私有化，然后使用静态函数返回栈对象，那为何不直接使用第一种方法呢❓❓❓
```
class StackOnly
{
public:
	StackOnly() 
	{}
private:
	void* operator new(size_t size);
	void operator delete(void* p);
};

int main()
{
	StackOnly s1;

	StackOnly* s2 = new StackOnly; // ❌
	static StackOnly s3; // 仍然可以生成静态区对象
	return 0;
}
```

这里要说明一个点，就是我们还是 没办法预防产生静态变量，如下面代码：

class StackOnly
{
public:
	static StackOnly CreateObject()
	{
		return StackOnly();
	}
private:
	StackOnly() = default;
    
    // 不能封掉拷贝构造，不然CreateObject无法return
    // StackOnly(const StackOnly&) = delete;
};
int main()
{
	StackOnly s1 = StackOnly::CreateObject();

	// 无法封掉这种情况，因为如果封掉拷贝构造的话，那么我们就无法在CreateObject中return一个临时栈对象了
	static StackOnly s2 = StackOnly::CreateObject(); 
	cout << typeid(s2).name() << endl;
	return 0;
}

// 运行结果：
class StackOnly

如果我们想避开这种情况，唯一的方法就是 不使用栈对象，我们只通过 CreateObject() 来调用类中的某些函数，但是一般这么做就有点一次性那味。

Ⅳ. 请设计一个类，不能被继承

C++98 的方式：

// 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 的方式 ：
- 使用 final 修饰类，表示该类不能被继承。
```
class A  final
{
    // ....
};
```

Ⅴ. 请设计一个类，只能创建一个对象（单例模式）

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。

我们之前在学习 C++ 的过程中其实早就接触到了设计模式，比如迭代器模式、适配器模式等等，下面我们就来讲一下单例模式：

💥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。

⚜️一般来说，单例模式下是不需要考虑资源释放的，因为我们这个单例对象是在主程序结束之后会自动释放的，如果没有特定需求说要提前释放，一般我们都不需要实现资源释放的功能，但是如果需要的话，比如说我们需要手动释放，因为一些资源可能要保存到日志等原因，所以我们就得实现释放资源函数比如说 DeleteInstance() 等等，下面的懒汉模式中会实现！

单例模式有两种实现模式：

1、饿汉模式

饿汉模式的宗旨就是说 不管你将来用不用，主程序启动时就创建一个唯一的实例对象。这就像一个饿汉一样，一旦遇到了食物，那么此时都是控制不住想直接去吃的，所以这种模式叫做饿汉模式！

优点：
- 控制简单
- 因为是在执行主函数之前就生成了对象，所以 没有线程安全问题。
- 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，响应速度更好。
缺点：
- 若单例对象的成员数据过多，那么会 导致整个程序启动变慢。
- 如果有多个单例类是相互依赖并且有初始化依赖顺序的，那么饿汉模式在创建的时候是控制不了这种依赖顺序。（可参考 Effective C++）

实现方式：

首先既然是单例模式，那么我们肯定要保证全局只能产生一个对象，那么我们想到的就是用静态变量，所以我们在 Singleton 类中定义一个静态变量 single_object，并且用一个静态成员函数 CreateObject() 返回该对象，而这个对象就是这个单例对象。

接着为了防止生成一个栈对象、堆对象，我们得将拷贝构造和赋值重载封掉，并将构造函数私有化而且不实现！

// 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& CreateObject()
	{
		return single_object;
	}

	void Print()
	{
		cout << "饿汉模式::Print()" << endl;
	}
private:
	// 构造函数私有，并且不实现
	Singleton() {}

	// 拷贝构造以及赋值重载封掉
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

public:
	static Singleton single_object; // 声明一个当前类的静态变量
};

Singleton Singleton::single_object; // 类外初始化这个静态变量


int main()
{
	// 第一种访问方法：通过CreateObject()直接调用相关接口
	Singleton::CreateObject().Print();

	// 第二种访问方法：可以使用引用接收CreateObject()，通过该对象调用相关接口
	Singleton& s = Singleton::CreateObject();
	s.Print();

	Singleton s1; // ❌无法通过编译
	Singleton* s2 = new Singleton; // ❌无法通过编译
	static Singleton s3; // ❌无法通过编译
	return 0;
}

// 运行结果：
饿汉模式::Print()
饿汉模式::Print()

💥注意：上面我们在实现饿汉模式以及后面的懒汉模式的时候，都采用 c++11 的 delete 关键字进行防止拷贝发生，而不采用 c++98 的方式！

2、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。

但是懒汉模式的问题就是涉及到了多线程安全问题，所以实现起来当然会复杂许多。

优点：
- 因为对象在主程序之后才会创建，所以 程序启动比饿汉模式要快。
- 可以控制不同的单例类的依赖关系以及控制依赖顺序。
缺点：
- 涉及到多线程安全问题，需要加锁，实现要复杂许多。

第一种写法：

这种写法涉及到了加锁的问题，所以会复杂一点。和饿汉模式一样，我们需要一个 静态成员函数 CreateObject() 用于获取这个单例对象，不同的是懒汉模式中我们不能直接在类内定义一个静态变量，因为我们要的效果是当我们调用 CreateObject() 的时候，单例对象才会被创建，而不是在程序启动之前就被创建了，所以我们在 类内定义的成员应该是一个静态指针 single_ptr，并且将其初始化为 nullptr，这样子当我们去调用 CreateObject() 的时候，如果判断 single_ptr 为空，则进行资源的初始化，否则说明已经被初始化过了，则不会再去初始化它，达到单例对象的目的！

这个时候问题就来了，既然出现了判断以及对成员变量的操作，那么在多线程环境中就有可能会出现问题，所以我们就 需要加锁！

我们可以直接在类内定义一把 静态的锁 _mtx，然后在单例对象指针判空那个代码块前后分别上锁和解锁。但是这里其实还会涉及一个问题，因为我们的 single_ptr 是通过 new 出来的，那么 可能 new 还会抛异常导致死锁的问题，这个时候其实可以用异常捕获，但是我们一般不这么做，因为写法比较挫。

一般我们都会用一个 守卫锁，在头文件 <mutex> 中就有一个函数模板 lock_guard 可以直接使用，这里为了便于理解，我们手动实现一个简易的守卫锁 LockGuard，具体看代码，其实不难，就是 在构造函数中上锁，在析构函数中解锁，所维护的就是一个锁对象！

我们自行实现的守卫锁时候，可能会出现一些问题，比如我们在定义锁对象的时候，不能直接使用它对应的锁类型，因为我们在拷贝构造函数中初始化的时候，其实是通过拷贝一个锁对象来赋值的，但是问题来了，锁是不能拷贝的！那咋整❓❓❓

这个时候我们就不能只是简单的定义一个锁对象，我们可以定义一个锁对象的引用或者指针，这里采用引用的方式！

通过锁对象的引用，就必须在构造函数中进行初始化（C++ 语法规定），这样子的话我们引用的其实就是一个传过来的锁对象的别名，就能绕开锁不能赋值的问题了！

（搞不清楚这里在说什么的，可以看看下面代码中的守卫锁部分就懂了！）

除此之外，我们会发现如果我们已经生成了一个单例对象，但是如果后续还有线程调用 CreateObject() 的时候，每次都会被我们的守卫锁卡住，这势必会导致我们程序的效率低下，所以这里我们 用两层 if 判空，减少对锁的消耗，虽说写起来比较冗余，但是这大大提高了程序的效率！

另外，我们在上面提到过，单例模式一般来说是不需要释放的，但是还是避免不了有时候我们需要保存资源到日志啊等情况，那么我们就得对这个资源释放问题做一下处理，所以我们下面实现中多写了一个 静态成员函数 DeleteInstance() 用于处理资源释放问题，而我们可以在主程序或者其它函数中去手动释放它！

但是如果我们想释放又忘记释放了呢❓❓❓所以为了保险，我们可以定义一个 自动回收资源类 GC 类（garbage control），实现并不难，我们可以将其定义在单例类里面，作为一个 内部类，这样子的话就能很方便的取到 Singleton 类中我们写的 DeleteInstance()。

而这个 GC 类实现的思想就是在析构函数中调用上述的 DeleteInstance()，要注意的是，因为有可能我们提前手动释放了这段空间，所以 我们需要判断 single_ptr 是否已经为空，是的话说明已经被释放，则我们不做任何动作，防止二次释放；如果不为空我们再去调用 DeleteInstance() 进行释放！

这样子 GC 类就达到该目的：如果提前手动释放，则不会回收；如果没有提前手动释放，则会在这里自动释放！

除此之外还有一个重点，就是我们定义的静态指针 single_ptr 得用 volatile 修饰，因为由于编译器可能会对代码进行优化，导致 重排序等问题，使用 volatile 关键字可以防止编译器优化，保证线程安全。

重排序的解释：

重排序是指在编译器、处理器或者运行时系统中，由于优化等原因，指令执行的顺序可能会被改变，但是最终的执行结果与原本的代码保持一致。

在多线程编程中，重排序可能会导致线程安全问题，因为线程的执行顺序是不确定的，如果在代码中没有正确的同步措施，就有可能导致意想不到的结果。

例如，在单例模式的实现中，如果不加同步措施，那么在多线程环境下，可能会出现多个实例被创建的情况。这是因为在创建实例的代码中，可能会发生指令重排序，导致另一个线程在检查实例是否为空之前，就已经获取到了一个未完成初始化的实例对象。

为了避免这种情况，可以使用 volatile 关键字来修饰单例对象指针。volatile 关键字告诉编译器不要对这个变量进行重排序优化，从而保证了单例对象的正确创建。

// 这里单独写一个守卫锁是为了方便理解
template<class Lock>
class LockGuard
{
public:
	LockGuard(Lock& lock)
		:_lock(lock)
	{
		_lock.lock();
	}
	~LockGuard()
	{
		_lock.unlock();
	}
private:
	// 这里的_lock要用引用接收，不然如果只是一个Lock类型的对象，那么在构造函数中是不允许拷贝构造的（锁不允许拷贝）
	// 当然这里也可以用指针，只不过这里用引用更贴切c++的方式
	Lock& _lock; 
};

// 懒汉模式
// 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& CreateObject()
	{
		// 涉及多线程，要加锁
		// 但是有可能new会抛异常导致死锁，所以我们可以用一个守卫锁
		// 除此之外，当前对象已经new出来之后，为了防止后面来的线程都会被锁住影响效率，我们可以用双层判断来防止这种情况
		if (single_ptr == nullptr)
		{
			// std::lock_guard<mutex> lock(_mtx); // 当然也可以用库里的lock_guard

			LockGuard<mutex> lock(_mtx); // 使用守卫锁
			if (single_ptr == nullptr)
			{
				single_ptr = new Singleton;
			}
		}
		return *single_ptr;
	}

	// 自动回收资源的管理类：
	// 如果提前手动释放，则不会回收；
	// 如果没有提前手动释放，则会在这里自动释放
	class GC
	{
	public:
		~GC()
		{
			// 如果没有被提前手动释放，则才会去释放，防止不小心多次释放
			if (single_ptr != nullptr)
			{
				// 内部类是外部类的友元，可以直接调用
				DeleteInstance();
			}
		}
	};

	static GC _gc; // 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

	// 一般我们不需要考虑释放
	// 但是如果我们想要保存资源的时候，就得处理一下
	static void DeleteInstance()
	{
		// 保存文件等操作，可自行添加
		// .......
		
		// 删除和保存的时候可能有多线程问题，要加锁
		LockGuard<mutex> lock(_mtx);
		if (single_ptr != nullptr)
		{
			delete single_ptr;
			single_ptr = nullptr; // 记得置空，下一个线程进来的时候判断后就不会进入该代码块
		}
		cout << "资源处理完成，释放成功" << endl;
	}

	void Print()
	{
		cout << "懒汉模式::Print()" << endl;
	}
private:
	// 构造函数私有，并且不实现
	Singleton() {}

	// 拷贝构造以及赋值重载封掉
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

private:
	volatile static Singleton* single_ptr; // 单例对象指针，用volatile修饰，防止编译器过度优化
	static mutex _mtx;                     // 静态的互斥锁
};

volatile Singleton* Singleton::single_ptr = nullptr; // 初始化为空
mutex Singleton::_mtx;
Singleton::GC Singleton::_gc;

int main()
{
	// 第一种访问方法：通过CreateObject()直接调用相关接口
	Singleton::CreateObject().Print();

	// 第二种访问方法：可以使用引用接收CreateObject()，通过该对象调用相关接口
	Singleton& s = Singleton::CreateObject();
	s.Print();

	// s.DeleteInstance(); // 如果需要的话就提前手动释放一下

	//Singleton s1; // ❌
	//Singleton* s2 = new Singleton; // ❌
	//static Singleton s3; // ❌
	return 0;
}

// 运行结果：
懒汉模式::Print()
懒汉模式::Print()
资源处理完成，释放成功

第二种写法：

这种写法相比上面就简单多了，其实利用的是 C++11 的一个新特性：局部静态变量初始化是线程安全的！

注意，这在 C++11 之前都是不保证的，所以这种方法不是通用的，但是也是很好用的一种！

其实就是在 静态成员函数 CreateObject() 中直接创建一个局部静态变量，并且返回它的引用，我们都知道，因为局部静态变量对于这个静态成员函数来说只有一份，如果其已经先被初始化了，那么后续进来之后是不会有任何初始化工作的！并且依靠 C++11 更新的这个特性，我们 无需上锁！

class Singleton
{
public:
	// 会不会有线程安全问题？？？
	// c++11之前，这里是不能保证single_object初始化是线程安全的！
	// c++11之后，这里是线程安全的！
	// 也就是说，c++11之后，局部静态变量初始化是线程安全的！
	// 所以这种写法不是通用的，比较少用，但是也是可以用的！
	static Singleton& CreateObject()
	{
		// 直接在CreateObject()创建一个静态单例类对象直接返回
		static Singleton single_object;
		return single_object;
	}

	void Print()
	{
		cout << "懒汉模式::Print()" << endl;
	}
private:
	// 构造函数私有，并且不实现
	Singleton() {}

	// 拷贝构造以及赋值重载封掉
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};

int main()
{
	// 第一种访问方法：通过CreateObject()直接调用相关接口
	Singleton::CreateObject().Print();

	// 第二种访问方法：可以使用引用接收CreateObject()，通过该对象调用相关接口
	Singleton& s = Singleton::CreateObject();
	s.Print();

	//Singleton s1; // ❌
	//Singleton* s2 = new Singleton; // ❌
	//static Singleton s3; // ❌
	return 0;
}

// 运行结果：
懒汉模式::Print()
懒汉模式::Print()