一篇文章帶你瞭解C++特殊類的設計
設計一個類，隻能在堆上創建對象
想要的效果實際是沒法直接在棧上創建對象。
首先cpp隻要創建對象就要調用構造函數，因此先要把構造函數ban掉，把構造函數設計成private。但是單這樣自己也創建不瞭瞭。
因此提供一個創建的接口，隻能調用該接口，該接口內部寫new。而且要調用該接口需要先有對象指針調用，而要有對象先得調用構造函數實例化，因此必須設計成靜態函數。
但是註意這樣還有拷貝函數可以調用HeapOnly copy(*p)。此時生成的也是棧上的對象。因此要拷貝構造私有，並且隻聲明不實現（實現也是可以的，但是沒人用）。這種方式在c++98中叫防拷貝，比如互斥鎖。
#include<iostream>
using namespace std;
class HeapOnly
{
private:
HeapOnly()
{ }
//C++98——防拷貝
HeapOnly(const HeapOnly&);
public:
static HeapOnly* CreateObj()
{
return new HeapOnly;
}
};
int main()
{
HeapOnly* p = HeapOnly::CreateObj();
return 0;
}
對於防拷貝，C++11中有新的方式。函數=delete。
#include<iostream>
using namespace std;
class HeapOnly
{
private:
HeapOnly()
{ }
public:
static HeapOnly* CreateObj()
{
return new HeapOnly;
}
//C++11——防拷貝
HeapOnly(const HeapOnly&) =delete;
};
int main()
{
HeapOnly* p = HeapOnly::CreateObj();
return 0;
}
總結：
1.將類的構造函數私有，拷貝構造聲明成私有。防止別人調用拷貝在棧上生成對象。
2.提供一個靜態的成員函數，在該靜態成員函數中完成堆對象的創建
設計一個類，隻能在棧上創建對象
- 方法一：同上將構造函數私有化，然後設計靜態方法創建對象返回即可。
由於返回臨時對象，因此不能禁掉拷貝構造。
class StackOnly
{
public:
static StackOnly CreateObject()
{
return StackOnly();
}
private:
StackOnly() {}
};
- 方法二：調用類自己的專屬的operator new和operator delete，設置為私有。
因為new在底層調用void* operator new(size_t size)函數，隻需將該函數屏蔽掉即可。註意：也要防止定位new。new先調用operator new申請空間，然後調用構造函數。delete先調用析構函數釋放對象所申請的空間，再調用operator delete釋放申請的對象空間。
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，沒有禁掉靜態區的。
}
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，沒有禁掉靜態區的。
}
設計一個類，不能被拷貝
拷貝隻會放生在兩個場景中：拷貝構造函數以及賦值運算符重載，因此想要讓一個類禁止拷貝，隻需讓該類不能調用拷貝構造函數以及賦值運算符重載即可。
- C++98將拷貝構造函數與賦值運算符重載隻聲明不定義，並且將其訪問權限設置為私有即可。
class CopyBan
{
// ...
private:
CopyBan(const CopyBan&);
CopyBan& operator=(const CopyBan&);
//...
};
原因：
1.設置成私有：如果隻聲明沒有設置成private，用戶自己如果在類外定義瞭，就可以不能禁止拷貝瞭
2.隻聲明不定義：不定義是因為該函數根本不會調用，定義瞭其實也沒有什麼意義，不寫反而還簡單，而且如果定義瞭就不會防止成員函數內部拷貝瞭。
- C++11擴展delete的用法，delete除瞭釋放new申請的資源外，如果在默認成員函數後跟上=delete，表示讓編譯器刪除掉該默認成員函數。
class CopyBan
{
// ...
CopyBan(const CopyBan&)=delete;
CopyBan& operator=(const CopyBan&)=delete;
//...
};
設計一個類，不能繼承
C++98
// C++98中構造函數私有化，派生類中調不到基類的構造函數。則無法繼承
class NonInherit
{
public:
static NonInherit GetInstance()
{
return NonInherit();
}
private:
NonInherit()
{}
};
class B : public NonInherit
{};
int main()
{
//C++98中這個不能被繼承的方式不夠徹底,實際是可以繼承,限制的是子類繼承後不能實例化對象
B b;
return 0;
}
C++11為瞭更直觀，加入瞭final關鍵字
class A final
{ };
class C: A
{};
設計一個類，隻能創建一個對象(單例模式)
之前接觸過瞭適配器模式和迭代器模式。
可以再看看工廠模式，觀察者模式等等常用一兩個的。
單例模式的概念
設計模式：設計模式（Design Pattern）是一套被反復使用、多數人知曉的、經過分類的、代碼設計經驗的總結。
為什麼會產生設計模式這樣的東西呢？就像人類歷史發展會產生兵法。最開始部落之間打仗時都是人拼人的對砍。後來春秋戰國時期，七國之間經常打仗，就發現打仗也是有套路的，後來孫子就總結出瞭《孫子兵法》。孫子兵法也是類似。
使用設計模式的目的：為瞭代碼可重用性、讓代碼更容易被他人理解、保證代碼可靠性。
設計模式使代碼編寫真正工程化；設計模式是軟件工程的基石脈絡，如同大廈的結構一樣。
- 單例模式
一個類隻能創建一個對象，即單例模式，該模式可以保證系統中該類隻有一個實例，並提供一個訪問它的全局訪問點，該實例被所有程序模塊共享。比如在某個服務器程序中，該服務器的配置信息存放在一個文件中，這些配置數據由一個單例對象統一讀取，然後服務進程中的其他對象再通過這個單例對象獲取這些配置信息，這種方式簡化瞭在復雜環境下的配置管理。
1.如何保證全局(一個進程中)隻有一個唯一的實例對象
參考隻能在堆上創建對象和在棧上創建對象，禁止構造和拷貝構造及賦值。
提供一個GetInstance獲取單例對象。
2.如何提供隻有一個實例呢？
餓漢模式和懶漢模式。
單例模式的實現
餓漢模式
餓漢模式:程序開始main執行之前就創建單例對象，提供一個靜態指向單例對象的成員指針，初始時new一個對象給它。
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();
}
懶漢模式
懶漢模式：
懶漢模式出現的原因,單例類的構造函數中要做很多配置初始化工作，那麼餓漢就不合適瞭，會導致程序啟動很慢。
linux是Posix的pthread庫,windows下有自己的線程庫。因此要使用條件編譯保證兼容性。因此c++11為瞭規范提供瞭語言級別的封裝（本質也是條件編譯，庫裡實現瞭）。
關於保護第一次需要加鎖，後面都不需要加鎖的場景的可以使用雙檢查加鎖。
#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多線程api
#else
//linux pthread
#endif //
class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance()
{
//保護第一次需要加鎖，後面都不需要加鎖的場景,可以使用雙檢查加鎖
//特點:第一次加鎖，後面不加鎖，保護線程安全，同時提高瞭效率
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;//()默認無參構造函數
int main()
{
Singleton::GetInstance()->Print();
}
餓漢模式和懶漢模式的對比
- 餓漢模式
- 優點：簡單
- 缺點：
- 如果單例對象構造函數工作比較多，會導致程序啟動慢，遲遲進不瞭入口main函數。
- 如果有多個單例對象，他們之間有初始化的依賴關系，餓漢模式也會有問題。比如有A和B兩個單例類，要求A單例先初始化，B必須在A之後初始化，那麼餓漢無法保證。這種場景下用懶漢模式，懶漢可以先調用A::GetInstance(),再調用B::GetInstance()。
- 懶漢模式
- 優點:解決瞭餓漢的缺點，因為他是第一次調用GetInstance時創建初始化單例對象
- 缺點：相對餓漢復雜一點。
懶漢模式的優化
實現瞭”更懶“。
缺點：單例對象在靜態區，如果單例對象太大，不合適。再挑挑刺，這個靜態對象無法主動控制釋放。
#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多線程api
#else
//linux pthread
#endif //
//其他版本懶漢
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;//()默認無參構造函數
int main()
{
Singleton::GetInstance()->Print();
}
#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多線程api
#else
//linux pthread
#endif //
//其他版本懶漢
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;//()默認無參構造函數
int main()
{
Singleton::GetInstance()->Print();
}
單例對象的釋放
單例對象一般不需要釋放。全局一直用的不delete也沒問題，進程如果正常銷毀，進程會釋放對應資源。
單例對象的直接釋放
#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多線程api
#else
//linux pthread
#endif //
class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance()
{
//保護第一次需要加鎖，後面都不需要加鎖的場景,可以使用雙檢查加鎖
//特點:第一次加鎖，後面不加鎖，保護線程安全，同時提高瞭效率
if( _inst == nullptr)
{
_mtx.lock();
if( _inst == nullptr )
{
_inst = new Singleton;
}
_ntx.unlock();
}
return _inst;
}
static void DelInstance()/*調的很少，可以雙檢查也可以不雙檢查*/
{
_mtx.lock();
if(!_inst)
{
delete _inst;
_inst=nullptr;
}
_mtx.unlock();
}
void Print()
{
cout<<"Print() "<<_val<<endl;
}
private:
Singleton()
:_val(0)
{
//假設單例類構造函數中，需要做很多配置初始化
}
~Singletion()
{
//程序結束時，需要處理一下，持久化保存一些數據
}
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;//()默認無參構造函數
int main()
{
Singleton::GetInstance()->Print();
}
內部垃圾回收類
上述場景其實還是可以擴展的。
假設析構函數有一些數據需要保存一下，持久化一下，不調用析構函數會存在問題，因此需要調用析構函數的時候處理。這就得保證main函數結束的時候保證調用析構(private)。
但是顯式調用DelInstance可能會存在遺忘。
#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多線程api
#else
//linux pthread
#endif //
class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance()
{
//保護第一次需要加鎖，後面都不需要加鎖的場景,可以使用雙檢查加鎖
//特點:第一次加鎖，後面不加鎖，保護線程安全，同時提高瞭效率
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)
{
//假設單例類構造函數中，需要做很多配置初始化
}
~Singletion()
{
//程序結束時，需要處理一下，持久化保存一些數據
}
Singleton(const Singleton& ) =delete;
Singleton(const Singleton& ) =delete;
//實現一個內嵌垃圾回收類
class CGarbo{
public:
~CGarbo()
{
//DelInstance();
if(_inst)
{
delete _inst;
_inst = nullptr;
}
}
}
static Singleton* _inst;
static std::mutex _mtx;
static GCarbo _gc;//定義靜態gc對象，幫助我們進行回收
int _val;
};
Singleton* Singleton::_inst = nullptr;
std::mutex Singleton::_mtx;//()默認無參構造函數
Singleton::CGarbo Singleton::_gc;
int main()
{
Singleton::GetInstance()->Print();
}
總結
本篇文章就到這裡瞭，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關註WalkonNet的更多內容!