C++精通之路：设计模式（特殊类设计）

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C++精通之路：设计模式（特殊类设计）

• 本节内容：

介绍常见特殊类的设计方式

1.请设计一个类，只能在堆上创建对象

• 实现方式：

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
3. 从而达到了在栈上无法开辟空间，只能通过CreateObject（）函数在堆上创建空间

class HeapOnly
{
public:
    static HeapOnly* CreateObj()
    {
        return new HeapOnly;//因为构造函数已经是私有的了，所以只能通过这个函数来创建对象
    }
     //在堆区的拷贝函数
    //static HeapOnly* CopyObj(const HeapOnly& h)
    //{
    //    return new HeapOnly(h);
    //}
private:
    HeapOnly()
    {}
    // 拷贝构造私有，并且只声明不实现(实现也是可以，但是没人用)
    // C++98 -- 防拷贝
    /*HeapOnly(const HeapOnly&)
    {}*/
    //public:
    //    // C++11
    HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
};

在堆上不能创建：

在堆上通过CreateObj()函数即可创建对象

2. 请设计一个类，只能在栈上创建对象

• 方法一：

同理，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() {}
};

• 方法二：屏蔽new

1. 原理是用私有的new来覆盖掉编译器提供的全局new，从而达到屏蔽new的效果
2. 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

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

3. 请设计一个类，不能被拷贝

拷贝只会放生在两个场景中：

1. 拷贝构造函数
2. 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

class CopyBan
{
// ...
private:
CopyBan(const CopyBan&);
CopyBan& operator=(const CopyBan&);
//...
};

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

• 原理：

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 ：

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;
//...
};

4. 请设计一个类，不能被继承

• C++98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()
{}
};

原理：子类调不到父类的构造函数，所以不能实例化，所以无法继承

• C++11方法

final关键字，*final***修饰类，表示该类不能被继承。

class A final
{
// ....
};

5. 请设计一个类，只能创建一个对象(单例模式)

设计模式

• 介绍：

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：

1. 为了代码可重用性
2. 让代码更容易被他人理解
3. 保证代码可靠性。
4. 设计模式使代码编写真正工程化
5. 设计模式是软件工程的基石脉络，如同大厦的结构一样。

• 实现：

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。

class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance()
{
return &m_instance;
}
private:
// 构造函数私有
Singleton(){};
// C++98 防拷贝
Singleton(Singleton const&);
Singleton& operator=(Singleton const&);
// or
// C++11
Singleton(Singleton const&) = delete;
Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;
static Singleton m_instance;
};
Singleton Singleton::m_instance; // 在程序入口之前就完成单例对象的初始化

• 优点： 1. 简单2. 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。
• 缺点： 1. 可能会导致进程启动慢(因为要在程序运行初始化好对象，对象过大时可能会导致初始化运行时间过长，从而让用户感受到进程启动慢)。2. 且如果有多个单例类对象实例启动顺序不确定。所以假如在继承条件下，无法保证父类在子类之前初始化。

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。

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance() {
// 注意这里一定要使用Double-Check的方式加锁，才能保证效率和线程安全
if (nullptr == m_pInstance) //双重判断，使效率提高
{
     m_mtx.lock();
  if (nullptr == m_pInstance) 
  {
  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:
// 构造函数私有
Singleton(){};
// 防拷贝
Singleton(Singleton const&);
Singleton& operator=(Singleton const&);
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;
void func(int n)
{
cout<< Singleton::GetInstance() << endl;
}

int main()
{
thread t1(func, 10);
thread t2(func, 10);
t1.join();
t2.join();
cout << Singleton::GetInstance() << endl;
cout << Singleton::GetInstance() << endl;
}

• 优点：

1. 进程启动无负载。
2. 多个单例实例启动顺序自由控制。
3. 不会出现饿汉模式下：如果有多个单例类对象实例启动顺序不确定的情况

• 缺点：

1. 复杂 ，因为在多线程下，单例模式下的对象相当于临界资源. 1. 饿汉模式下,在程序启动时就将对象初始化了，要调用对象时，只需返回指针（只进行了读操作，没有进行写操作）。所以不需要管理此行为2. 而在懒汉模式下，在程序启动时，对象未初始化。需要在static Singleton* GetInstance() 函数内初始化，这里就有对临界资源的写操作了，所以要用到互斥锁等工具来保护临界资源，较为复杂

总结：

以上这几种设计都是通过staic的特性来实现的

1. 前面四种条件是通过将目标函数私有化，使其在外部不可调用。且用staic成员函数来在特定的条件下实行构造。（用到了staic成员函数可在类未初始化时就可调用的特性）
2. 单例模式则是通过staic成员变量的原子性来实现的。单例模式利用了一个staic 成员指针，指向一个类。再通过将目标函数（构造函数等）私有化，使其在外部不可调用。且用staic成员函数来实现对类的构造。1. 在创造的时机上又有两种模式： 1. 懒汉模式 2. 饿汉模式