一篇文章帶你了解C++特殊類(lèi)的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)一個(gè)類(lèi)，只能在堆上創(chuàng)建對(duì)象
想要的效果實(shí)際是沒(méi)法直接在棧上創(chuàng)建對(duì)象。
首先cpp只要?jiǎng)?chuàng)建對(duì)象就要調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，因此先要把構(gòu)造函數(shù)ban掉，把構(gòu)造函數(shù)設(shè)計(jì)成private。但是單這樣自己也創(chuàng)建不了了。
因此提供一個(gè)創(chuàng)建的接口，只能調(diào)用該接口，該接口內(nèi)部寫(xiě)new。而且要調(diào)用該接口需要先有對(duì)象指針調(diào)用，而要有對(duì)象先得調(diào)用構(gòu)造函數(shù)實(shí)例化，因此必須設(shè)計(jì)成靜態(tài)函數(shù)。
但是注意這樣還有拷貝函數(shù)可以調(diào)用HeapOnly copy(*p)。此時(shí)生成的也是棧上的對(duì)象。因此要拷貝構(gòu)造私有，并且只聲明不實(shí)現(xiàn)（實(shí)現(xiàn)也是可以的，但是沒(méi)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(duì)于防拷貝，C++11中有新的方式。函數(shù)=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(jié)：
1.將類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)私有，拷貝構(gòu)造聲明成私有。防止別人調(diào)用拷貝在棧上生成對(duì)象。
2.提供一個(gè)靜態(tài)的成員函數(shù)，在該靜態(tài)成員函數(shù)中完成堆對(duì)象的創(chuàng)建
設(shè)計(jì)一個(gè)類(lèi)，只能在棧上創(chuàng)建對(duì)象
- 方法一：同上將構(gòu)造函數(shù)私有化，然后設(shè)計(jì)靜態(tài)方法創(chuàng)建對(duì)象返回即可。
由于返回臨時(shí)對(duì)象，因此不能禁掉拷貝構(gòu)造。
class StackOnly
{
public:
static StackOnly CreateObject()
{
return StackOnly();
}
private:
StackOnly() {}
};
- 方法二：調(diào)用類(lèi)自己的專(zhuān)屬的operator new和operator delete，設(shè)置為私有。
因?yàn)閚ew在底層調(diào)用void* operator new(size_t size)函數(shù)，只需將該函數(shù)屏蔽掉即可。注意：也要防止定位new。new先調(diào)用operator new申請(qǐng)空間，然后調(diào)用構(gòu)造函數(shù)。delete先調(diào)用析構(gòu)函數(shù)釋放對(duì)象所申請(qǐng)的空間，再調(diào)用operator delete釋放申請(qǐng)的對(duì)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(méi)有禁掉靜態(tài)區(qū)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(méi)有禁掉靜態(tài)區(qū)的。
}
設(shè)計(jì)一個(gè)類(lèi)，不能被拷貝
拷貝只會(huì)放生在兩個(gè)場(chǎng)景中：拷貝構(gòu)造函數(shù)以及賦值運(yùn)算符重載，因此想要讓一個(gè)類(lèi)禁止拷貝，只需讓該類(lèi)不能調(diào)用拷貝構(gòu)造函數(shù)以及賦值運(yùn)算符重載即可。
- C++98將拷貝構(gòu)造函數(shù)與賦值運(yùn)算符重載只聲明不定義，并且將其訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限設(shè)置為私有即可。
class CopyBan
{
// ...
private:
CopyBan(const CopyBan&);
CopyBan& operator=(const CopyBan&);
//...
};
原因：
1.設(shè)置成私有：如果只聲明沒(méi)有設(shè)置成private，用戶(hù)自己如果在類(lèi)外定義了，就可以不能禁止拷貝了
2.只聲明不定義：不定義是因?yàn)樵摵瘮?shù)根本不會(huì)調(diào)用，定義了其實(shí)也沒(méi)有什么意義，不寫(xiě)反而還簡(jiǎn)單，而且如果定義了就不會(huì)防止成員函數(shù)內(nèi)部拷貝了。
- C++11擴(kuò)展delete的用法，delete除了釋放new申請(qǐng)的資源外，如果在默認(rèn)成員函數(shù)后跟上=delete，表示讓編譯器刪除掉該默認(rèn)成員函數(shù)。
class CopyBan
{
// ...
CopyBan(const CopyBan&)=delete;
CopyBan& operator=(const CopyBan&)=delete;
//...
};
設(shè)計(jì)一個(gè)類(lèi)，不能繼承
C++98
// C++98中構(gòu)造函數(shù)私有化，派生類(lèi)中調(diào)不到基類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)。則無(wú)法繼承
class NonInherit
{
public:
static NonInherit GetInstance()
{
return NonInherit();
}
private:
NonInherit()
{}
};
class B : public NonInherit
{};
int main()
{
//C++98中這個(gè)不能被繼承的方式不夠徹底,實(shí)際是可以繼承,限制的是子類(lèi)繼承后不能實(shí)例化對(duì)象
B b;
return 0;
}
C++11為了更直觀(guān)，加入了final關(guān)鍵字
class A final
{ };
class C: A
{};
設(shè)計(jì)一個(gè)類(lèi)，只能創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象(單例模式)
之前接觸過(guò)了適配器模式和迭代器模式。
可以再看看工廠(chǎng)模式，觀(guān)察者模式等等常用一兩個(gè)的。
單例模式的概念
設(shè)計(jì)模式：設(shè)計(jì)模式（Design Pattern）是一套被反復(fù)使用、多數(shù)人知曉的、經(jīng)過(guò)分類(lèi)的、代碼設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。
為什么會(huì)產(chǎn)生設(shè)計(jì)模式這樣的東西呢？就像人類(lèi)歷史發(fā)展會(huì)產(chǎn)生兵法。最開(kāi)始部落之間打仗時(shí)都是人拼人的對(duì)砍。后來(lái)春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，七國(guó)之間經(jīng)常打仗，就發(fā)現(xiàn)打仗也是有套路的，后來(lái)孫子就總結(jié)出了《孫子兵法》。孫子兵法也是類(lèi)似。
使用設(shè)計(jì)模式的目的：為了代碼可重用性、讓代碼更容易被他人理解、保證代碼可靠性。
設(shè)計(jì)模式使代碼編寫(xiě)真正工程化；設(shè)計(jì)模式是軟件工程的基石脈絡(luò)，如同大廈的結(jié)構(gòu)一樣。
- 單例模式
一個(gè)類(lèi)只能創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，即單例模式，該模式可以保證系統(tǒng)中該類(lèi)只有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)訪(fǎng)問(wèn)它的全局訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)，該實(shí)例被所有程序模塊共享。比如在某個(gè)服務(wù)器程序中，該服務(wù)器的配置信息存放在一個(gè)文件中，這些配置數(shù)據(jù)由一個(gè)單例對(duì)象統(tǒng)一讀取，然后服務(wù)進(jìn)程中的其他對(duì)象再通過(guò)這個(gè)單例對(duì)象獲取這些配置信息，這種方式簡(jiǎn)化了在復(fù)雜環(huán)境下的配置管理。
1.如何保證全局(一個(gè)進(jìn)程中)只有一個(gè)唯一的實(shí)例對(duì)象
參考只能在堆上創(chuàng)建對(duì)象和在棧上創(chuàng)建對(duì)象，禁止構(gòu)造和拷貝構(gòu)造及賦值。
提供一個(gè)GetInstance獲取單例對(duì)象。
2.如何提供只有一個(gè)實(shí)例呢？
餓漢模式和懶漢模式。
單例模式的實(shí)現(xiàn)
餓漢模式
餓漢模式:程序開(kāi)始main執(zhí)行之前就創(chuàng)建單例對(duì)象，提供一個(gè)靜態(tài)指向單例對(duì)象的成員指針，初始時(shí)new一個(gè)對(duì)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(xiàn)的原因,單例類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)中要做很多配置初始化工作，那么餓漢就不合適了，會(huì)導(dǎo)致程序啟動(dòng)很慢。
linux是Posix的pthread庫(kù),windows下有自己的線(xiàn)程庫(kù)。因此要使用條件編譯保證兼容性。因此c++11為了規(guī)范提供了語(yǔ)言級(jí)別的封裝（本質(zhì)也是條件編譯，庫(kù)里實(shí)現(xiàn)了）。
關(guān)于保護(hù)第一次需要加鎖，后面都不需要加鎖的場(chǎng)景的可以使用雙檢查加鎖。
#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多線(xiàn)程api
#else
//linux pthread
#endif //
class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance()
{
//保護(hù)第一次需要加鎖，后面都不需要加鎖的場(chǎng)景,可以使用雙檢查加鎖
//特點(diǎn):第一次加鎖，后面不加鎖，保護(hù)線(xiàn)程安全，同時(shí)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;//()默認(rèn)無(wú)參構(gòu)造函數(shù)
int main()
{
Singleton::GetInstance()->Print();
}
餓漢模式和懶漢模式的對(duì)比
- 餓漢模式
- 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單
- 缺點(diǎn)：
- 如果單例對(duì)象構(gòu)造函數(shù)工作比較多，會(huì)導(dǎo)致程序啟動(dòng)慢，遲遲進(jìn)不了入口main函數(shù)。
- 如果有多個(gè)單例對(duì)象，他們之間有初始化的依賴(lài)關(guān)系，餓漢模式也會(huì)有問(wèn)題。比如有A和B兩個(gè)單例類(lèi)，要求A單例先初始化，B必須在A(yíng)之后初始化，那么餓漢無(wú)法保證。這種場(chǎng)景下用懶漢模式，懶漢可以先調(diào)用A::GetInstance(),再調(diào)用B::GetInstance()。
- 懶漢模式
- 優(yōu)點(diǎn):解決了餓漢的缺點(diǎn)，因?yàn)樗堑谝淮握{(diào)用GetInstance時(shí)創(chuàng)建初始化單例對(duì)象
- 缺點(diǎn)：相對(duì)餓漢復(fù)雜一點(diǎn)。
懶漢模式的優(yōu)化
實(shí)現(xiàn)了”更懶“。
缺點(diǎn)：?jiǎn)卫龑?duì)象在靜態(tài)區(qū)，如果單例對(duì)象太大，不合適。再挑挑刺，這個(gè)靜態(tài)對(duì)象無(wú)法主動(dòng)控制釋放。
#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多線(xiàn)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(rèn)無(wú)參構(gòu)造函數(shù)
int main()
{
Singleton::GetInstance()->Print();
}
#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多線(xiàn)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(rèn)無(wú)參構(gòu)造函數(shù)
int main()
{
Singleton::GetInstance()->Print();
}
單例對(duì)象的釋放
單例對(duì)象一般不需要釋放。全局一直用的不delete也沒(méi)問(wèn)題，進(jìn)程如果正常銷(xiāo)毀，進(jìn)程會(huì)釋放對(duì)應(yīng)資源。
單例對(duì)象的直接釋放
#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多線(xiàn)程api
#else
//linux pthread
#endif //
class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance()
{
//保護(hù)第一次需要加鎖，后面都不需要加鎖的場(chǎng)景,可以使用雙檢查加鎖
//特點(diǎn):第一次加鎖，后面不加鎖，保護(hù)線(xiàn)程安全，同時(shí)提高了效率
if( _inst == nullptr)
{
_mtx.lock();
if( _inst == nullptr )
{
_inst = new Singleton;
}
_ntx.unlock();
}
return _inst;
}
static void DelInstance()/*調(diào)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(shè)單例類(lèi)構(gòu)造函數(shù)中，需要做很多配置初始化
}
~Singletion()
{
//程序結(jié)束時(shí)，需要處理一下，持久化保存一些數(shù)據(jù)
}
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(rèn)無(wú)參構(gòu)造函數(shù)
int main()
{
Singleton::GetInstance()->Print();
}
內(nèi)部垃圾回收類(lèi)
上述場(chǎng)景其實(shí)還是可以擴(kuò)展的。
假設(shè)析構(gòu)函數(shù)有一些數(shù)據(jù)需要保存一下，持久化一下，不調(diào)用析構(gòu)函數(shù)會(huì)存在問(wèn)題，因此需要調(diào)用析構(gòu)函數(shù)的時(shí)候處理。這就得保證main函數(shù)結(jié)束的時(shí)候保證調(diào)用析構(gòu)(private)。
但是顯式調(diào)用DelInstance可能會(huì)存在遺忘。
#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多線(xiàn)程api
#else
//linux pthread
#endif //
class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance()
{
//保護(hù)第一次需要加鎖，后面都不需要加鎖的場(chǎng)景,可以使用雙檢查加鎖
//特點(diǎn):第一次加鎖，后面不加鎖，保護(hù)線(xiàn)程安全，同時(shí)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)
{
//假設(shè)單例類(lèi)構(gòu)造函數(shù)中，需要做很多配置初始化
}
~Singletion()
{
//程序結(jié)束時(shí)，需要處理一下，持久化保存一些數(shù)據(jù)
}
Singleton(const Singleton& ) =delete;
Singleton(const Singleton& ) =delete;
//實(shí)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)嵌垃圾回收類(lèi)
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(tài)gc對(duì)象，幫助我們進(jìn)行回收
int _val;
};
Singleton* Singleton::_inst = nullptr;
std::mutex Singleton::_mtx;//()默認(rèn)無(wú)參構(gòu)造函數(shù)
Singleton::CGarbo Singleton::_gc;
int main()
{
Singleton::GetInstance()->Print();
}
總結(jié)
本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來(lái)幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容!
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