一篇文章带你了解C++特殊类的设计
作者：小菜鸡加油
设计一个类，只能在堆上创建对象
想要的效果实际是没法直接在栈上创建对象。
首先cpp只要创建对象就要调用构造函数，因此先要把构造函数ban掉，把构造函数设计成private。但是单这样自己也创建不了了。
因此提供一个创建的接口，只能调用该接口，该接口内部写new。而且要调用该接口需要先有对象指针调用，而要有对象先得调用构造函数实例化，因此必须设计成静态函数。
但是注意这样还有拷贝函数可以调用HeapOnly copy(*p)。此时生成的也是栈上的对象。因此要拷贝构造私有，并且只声明不实现（实现也是可以的，但是没人用）。这种方式在c++98中叫防拷贝，比如互斥锁。
#include<iostream>
using namespace std;
class HeapOnly
{
private:
HeapOnly()
{ }
//C++98——防拷贝
HeapOnly(const HeapOnly&);
public:
static HeapOnly* CreateObj()
{
return new HeapOnly;
}
};
int main()
{
HeapOnly* p = HeapOnly::CreateObj();
return 0;
}
对于防拷贝，C++11中有新的方式。函数=delete。
#include<iostream>
using namespace std;
class HeapOnly
{
private:
HeapOnly()
{ }
public:
static HeapOnly* CreateObj()
{
return new HeapOnly;
}
//C++11——防拷贝
HeapOnly(const HeapOnly&) =delete;
};
int main()
{
HeapOnly* p = HeapOnly::CreateObj();
return 0;
}
总结：
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
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。
由于返回临时对象，因此不能禁掉拷贝构造。
class StackOnly
{
public:
static StackOnly CreateObject()
{
return StackOnly();
}
private:
StackOnly() {}
};
- 方法二：调用类自己的专属的operator new和operator delete，设置为私有。
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。new先调用operator new申请空间，然后调用构造函数。delete先调用析构函数释放对象所申请的空间，再调用operator delete释放申请的对象空间。
class StackOnly
{
public:
StackOnly() {}
private: //C++98
void* operator new(size_t size);
void operator delete(void* p);
};
int main()
{
static StackOnly st;//缺陷，没有禁掉静态区的。
}
class StackOnly
{
public:
StackOnly() {}
//C++11
void* operator new(size_t size) = delete;
void operator delete(void* p) = delete;
};
int main()
{
static StackOnly st;//缺陷，没有禁掉静态区的。
}
设计一个类，不能被拷贝
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：
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++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;
//...
};
设计一个类，不能继承
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()
{}
};
class B : public NonInherit
{};
int main()
{
//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
B b;
return 0;
}
C++11为了更直观，加入了final关键字
class A final
{ };
class C: A
{};
设计一个类，只能创建一个对象(单例模式)
之前接触过了适配器模式和迭代器模式。
可以再看看工厂模式，观察者模式等等常用一两个的。
单例模式的概念
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。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.如何保证全局(一个进程中)只有一个唯一的实例对象
参考只能在堆上创建对象和在栈上创建对象，禁止构造和拷贝构造及赋值。
提供一个GetInstance获取单例对象。
2.如何提供只有一个实例呢？
饿汉模式和懒汉模式。
单例模式的实现
饿汉模式
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，初始时new一个对象给它。
class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance()
{
return _inst;
}
void Print()
{
cout<<"Print() "<<_val<<endl;
}
private:
Singleton()
:_val(0)
{}
Singleton(const Singleton& ) =delete;
Singleton(const Singleton& ) =delete;
static Singleton* _inst;
int _val;
};
Singleton* Singleton::_inst = new Singleton;
int main()
{
cout<<Singleton::GetInstance()<<endl;
cout<<Singleton::GetInstance()<<endl;
cout<<Singleton::GetInstance()<<endl;
Singleton::GetInstance()->Print();
}
懒汉模式
懒汉模式：
懒汉模式出现的原因,单例类的构造函数中要做很多配置初始化工作，那么饿汉就不合适了，会导致程序启动很慢。
linux是Posix的pthread库,windows下有自己的线程库。因此要使用条件编译保证兼容性。因此c++11为了规范提供了语言级别的封装（本质也是条件编译，库里实现了）。
关于保护第一次需要加锁，后面都不需要加锁的场景的可以使用双检查加锁。
#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多线程api
#else
//linux pthread
#endif //
class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance()
{
//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( _inst == nullptr)
{
_mtx.lock();
if( _inst == nullptr )
{
_inst = new Singleton;
}
_ntx.unlock();
}
return _inst;
}
void Print()
{
cout<<"Print() "<<_val<<endl;
}
private:
Singleton()
:_val(0)
{}
Singleton(const Singleton& ) =delete;
Singleton(const Singleton& ) =delete;
static Singleton* _inst;
static std::mutex _mtx;
int _val;
};
Singleton* Singleton::_inst = nullptr;
std::mutex Singleton::_mtx;//()默认无参构造函数
int main()
{
Singleton::GetInstance()->Print();
}
饿汉模式和懒汉模式的对比
- 饿汉模式
- 优点：简单
- 缺点：
- 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。
- 如果有多个单例对象，他们之间有初始化的依赖关系，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。这种场景下用懒汉模式，懒汉可以先调用A::GetInstance(),再调用B::GetInstance()。
- 懒汉模式
- 优点:解决了饿汉的缺点，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。
懒汉模式的优化
实现了”更懒“。
缺点：单例对象在静态区，如果单例对象太大，不合适。再挑挑刺，这个静态对象无法主动控制释放。
#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多线程api
#else
//linux pthread
#endif //
//其他版本懒汉
class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance()
{
static Singleton inst;
return &inst;
}
void Print()
{
cout<<"Print() "<<_val<<endl;
}
private:
Singleton()
:_val(0)
{}
Singleton(const Singleton& ) =delete;
Singleton(const Singleton& ) =delete;
static std::mutex _mtx;
int _val;
};
std::mutex Singleton::_mtx;//()默认无参构造函数
int main()
{
Singleton::GetInstance()->Print();
}
#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多线程api
#else
//linux pthread
#endif //
//其他版本懒汉
class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance()
{
static Singleton inst;
return &inst;
}
void Print()
{
cout<<"Print() "<<_val<<endl;
}
private:
Singleton()
:_val(0)
{}
Singleton(const Singleton& ) =delete;
Singleton(const Singleton& ) =delete;
static std::mutex _mtx;
int _val;
};
std::mutex Singleton::_mtx;//()默认无参构造函数
int main()
{
Singleton::GetInstance()->Print();
}
单例对象的释放
单例对象一般不需要释放。全局一直用的不delete也没问题，进程如果正常销毁，进程会释放对应资源。
单例对象的直接释放
#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多线程api
#else
//linux pthread
#endif //
class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance()
{
//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( _inst == nullptr)
{
_mtx.lock();
if( _inst == nullptr )
{
_inst = new Singleton;
}
_ntx.unlock();
}
return _inst;
}
static void DelInstance()/*调的很少，可以双检查也可以不双检查*/
{
_mtx.lock();
if(!_inst)
{
delete _inst;
_inst=nullptr;
}
_mtx.unlock();
}
void Print()
{
cout<<"Print() "<<_val<<endl;
}
private:
Singleton()
:_val(0)
{
//假设单例类构造函数中，需要做很多配置初始化
}
~Singletion()
{
//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(const Singleton& ) =delete;
static Singleton* _inst;
static std::mutex _mtx;
int _val;
};
Singleton* Singleton::_inst = nullptr;
std::mutex Singleton::_mtx;//()默认无参构造函数
int main()
{
Singleton::GetInstance()->Print();
}
内部垃圾回收类
上述场景其实还是可以扩展的。
假设析构函数有一些数据需要保存一下，持久化一下，不调用析构函数会存在问题，因此需要调用析构函数的时候处理。这就得保证main函数结束的时候保证调用析构(private)。
但是显式调用DelInstance可能会存在遗忘。
#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多线程api
#else
//linux pthread
#endif //
class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance()
{
//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( _inst == nullptr)
{
_mtx.lock();
if( _inst == nullptr )
{
_inst = new Singleton;
}
_ntx.unlock();
}
return _inst;
}
void Print()
{
cout<<"Print() "<<_val<<endl;
}
private:
Singleton()
:_val(0)
{
//假设单例类构造函数中，需要做很多配置初始化
}
~Singletion()
{
//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(const Singleton& ) =delete;
//实现一个内嵌垃圾回收类
class CGarbo{
public:
~CGarbo()
{
//DelInstance();
if(_inst)
{
delete _inst;
_inst = nullptr;
}
}
}
static Singleton* _inst;
static std::mutex _mtx;
static GCarbo _gc;//定义静态gc对象，帮助我们进行回收
int _val;
};
Singleton* Singleton::_inst = nullptr;
std::mutex Singleton::_mtx;//()默认无参构造函数
Singleton::CGarbo Singleton::_gc;
int main()
{
Singleton::GetInstance()->Print();
}
总结
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