C++ 特殊类及单例模式

自信不孤单2024-03-21 15:30

文章目录

  • [1. 前言](#1. 前言)
  • [2. 不能被拷贝的类](#2. 不能被拷贝的类)
  • [3. 不能被继承的类](#3. 不能被继承的类)
  • [4. 只能在堆上创建对象的类](#4. 只能在堆上创建对象的类)
  • [5. 只能在栈上创建对象的类](#5. 只能在栈上创建对象的类)
  • [6. 只能创建一个对象的类（单例模式）](#6. 只能创建一个对象的类（单例模式）)

1. 前言

在实际场景中，我们在编写类的过程中总会遇到一些特殊情况，比如设计一个类不能被拷贝/不能被继承/只能在堆上创建对象/只能在栈上创建对象/只能创建一个对象，基于这些场景，我们来谈谈这些特殊类该如何实现。

2. 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的实现方法

    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。

    cpp 复制代码 
    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的实现方法

    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。

    cpp 复制代码 
    class CopyBan
{
	// ...
	CopyBan(const CopyBan&) = delete;
	CopyBan& operator=(const CopyBan&) = delete;
	//...
};

3. 不能被继承的类

  • C++98的实现方法

    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。

    cpp 复制代码 
    class NonInherit
{
public:
	static NonInherit GetInstance()
	{
		return NonInherit();
	}
private:
	NonInherit()
	{}
};

  • C++11的实现方法

    final关键字，final修饰类，表示该类不能被继承。

    cpp 复制代码 
    class NonInherit final
{
	// ....
};

4. 只能在堆上创建对象的类

顾名思义就是只能通过new来创建对象，一般的实现思路有以下两种，注意细节处理。

  1. 析构函数私有化

    将析构函数私有化后，由于对象析构时并不能调用到析构函数，所以在栈上直接创建对象会报错，我们只能在堆上new一个对象。但是在销毁对象时，我们不能使用delete直接销毁对象，因为delete也会调用到析构函数，这里可以特殊处理，在共有域定义一个函数，此函数显示调用析构。

    cpp 复制代码 
    class HeapOnly
{
public:
	void destory()
	{
		delete this;
	}
private:
	~HeapOnly()
	{
		cout << "调用析构成功!" << endl;
	}
};
int main()
{
	//HeapOnly ho1; // error 析构函数不可访问，无法创建对象

	HeapOnly* ho2 = new HeapOnly;
	//delete ho2; // error 析构函数不可访问，无法销毁对象 
	h2->destory();
	
	return 0;
}

  2. 构造函数私有化

    将构造函数私有化后，由于对象创建时无法调用到构造函数，所以不管在堆上还是栈上都无法创建对象。在这里我们可以在公有域定义一个函数去在堆上创建一个该类的对象，并返回指向这块空间的指针，我们巧妙地将其设置成static函数，这样我们就可以通过类名来调用该函数，而该函数是唯一创建该类对象的方法。

    cpp 复制代码 
    class HeapOnly
{
public:
	static HeapOnly* CreateObject(int x = 0)
	{
		return new HeapOnly(x);
	}
private:
	HeapOnly(int x = 0) :_x(x)
	{}
	int _x;
};

int main()
{
	//HeapOnly ho1; // error 构造函数不可访问，无法创建对象
	
	//HeapOnly* ho2 = new HeapOnly; // error 构造函数不可访问，无法创建对象

	HeapOnly* ho3 = HeapOnly::CreateObject(10);
	return 0;
}

  3. 细节处理

    做到以上的实现后，我们还需拷贝构造声明成私有，防止别人调用拷贝在栈上生成对象。

    cpp 复制代码 
    // C++98
private:
	HeapOnly(const HeapOnly&);
// C++11
HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;

5. 只能在栈上创建对象的类

有了前面的思路，我们可以利用构造函数私有化来解决此问题。

设计方法：将构造函数私有化，然后设计静态函数创建返回对象即可。

注意：这里需要将operator new和operator delete禁用，因为new可以调用拷贝构造创建对象，如果我们在类中没有重载operator new，new就会调用全局的operator new，所以要想禁用new，则需要在类中将operator new禁用。

cpp 复制代码 
class StackOnly
{
public:
	static StackOnly CreateObj()
	{
		return StackOnly();
	}

	// 禁掉operator new可以把下面用new调用拷贝构造创建对象给禁掉
	void* operator new(size_t size) = delete;
	void operator delete(void* p) = delete;
private:
	StackOnly()
		:_a(0)
	{}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	StackOnly so1 = StackOnly::CreateObj();
	//StackOnly* so2 = new StackOnly(so1); // error 无法引用operator new
	return 0;
}

6. 只能创建一个对象的类（单例模式）

在学习单例模式前，我们先来了解一下设计模式：

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。

单例模式就是设计模式的一种：

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。

单例模式有两种实现模式：

饿汉模式

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。

具体代码实现：

cpp 复制代码 
class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		return _ins;
	}
private:
	//限制类外随意创建对象
	Singleton(const Singleton& s) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete;
	Singleton() {}

	static Singleton* _ins;
};
Singleton* Singleton::_ins = new Singleton; // 在程序入口之前就完成单例对象的初始化
  • 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。

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
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。

具体代码实现：

cpp 复制代码 
//懒汉模式
class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		if (m_pInstance == nullptr)
		{
			m_mtx.lock();
			if (m_pInstance == nullptr)
			{
				m_pInstance = new Singleton();
			}
			m_mtx.unlock();
		}

		return m_pInstance;
	}

	// 实现一个内嵌垃圾回收类
	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:
	//限制类外随意创建对象
	Singleton(const Singleton& s) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete;
	Singleton() {}
private:
	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;

与饿函数模式不同的是，懒汉模式在多线程情况下有线程安全问题，所以在第一次拿唯一的对象前需要加锁，并且对象在程序启动时被置空了，只有调用了GetInstance()才会真正的分配空间。

拓展：C++常用的11种设计模式。

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