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C++ 超詳細(xì)深入分析單例模式

 更新時(shí)間:2022年03月24日 14:18:31   作者:ymz123_  
單例模式(Singleton Pattern)是最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)模式之一。這種類型的設(shè)計(jì)模式屬于創(chuàng)建型模式,它提供了一種創(chuàng)建對(duì)象的最佳方式,這種模式涉及到一個(gè)單一的類,該類負(fù)責(zé)創(chuàng)建自己的對(duì)象,同時(shí)確保只有單個(gè)對(duì)象被創(chuàng)建

不能被拷貝的類

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)類禁止拷貝,只需讓該類不能調(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:

設(shè)置成私有:如果只聲明沒(méi)有設(shè)置成private,用戶自己如果在類外定義了,就可以不能禁止拷貝了

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

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;
	//...
};

只能在堆上創(chuàng)建對(duì)象的類

實(shí)現(xiàn)方式:

將類的構(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。

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

class HeapOnly
{
public:
	//提供一個(gè)static公有函數(shù)創(chuàng)建對(duì)象,對(duì)象創(chuàng)建的都在堆上
	static HeapOnly* CreateObject()
	{
		return new HeapOnly;
	}
private:
	HeapOnly(){}

	//C++98 防拷貝 只聲明,不實(shí)現(xiàn)
	HeapOnly(const HeapOnly&);
	
	//C++11
	HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
};

只能在棧上創(chuàng)建對(duì)象的類

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。

class StackOnly
{
public:
	StackOnly(){}
public:
	//C++11
	void* operator new(size_t size) = delete;
	void operator delete(void* p) = delete;
private:
	//C++98 防調(diào)用
	void* operator new(size_t size);
	void operator delete(void* p);
};

屏蔽new

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

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

不能被繼承的類

C++98

//C++98這種方式不夠直接
//這里是可以繼承的,但是Derive不能創(chuàng)建對(duì)象,因?yàn)镈erive的構(gòu)造函數(shù)必須要調(diào)用父類NonOnherit構(gòu)造,但是NonInherit的構(gòu)造函數(shù)私有了,私有在子類不可見(jiàn),那么這里繼承不會(huì)報(bào)錯(cuò),繼承的子類創(chuàng)建對(duì)象會(huì)報(bào)錯(cuò)
class NonInherit
{
public:
	static NonInherit GetInstance()
	{
		return NonInherit();
	}
private:
	NonInherit()
	{}
};

C++11

final關(guān)鍵字,final修飾類,表示該類不能被繼承。

class A final
{
	//...
};

只能創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象的類(單例模式)

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

定義一個(gè)全局對(duì)象,大家都能用,也能保證單例,但這種方式存在很大的缺陷,你要讓大家都能用,這個(gè)對(duì)象就只能定義在一個(gè).h,如果這個(gè).h在多個(gè).cpp包含,那么鏈接會(huì)報(bào)錯(cuò)。全局靜態(tài),只在當(dāng)前文件可見(jiàn),不再是同一個(gè)對(duì)象,每個(gè)xxx.cpp中各自是一個(gè)對(duì)象。 extern可以使鏈接不報(bào)錯(cuò),但不能保證全局只有唯一一個(gè)v,可能某個(gè)地方又重新定義了一個(gè)變量v 所以我們可以在.h中聲明,在.cpp中定義,聲明和定義分離。否則在.h中定義,多個(gè)cpp包含就會(huì)有多份。

某些類, 只應(yīng)該具有一個(gè)對(duì)象(實(shí)例), 就稱之為單例.

在很多服務(wù)器開(kāi)發(fā)場(chǎng)景中, 經(jīng)常需要讓服務(wù)器加載很多的數(shù)據(jù) (上百G) 到內(nèi)存中. 此時(shí)往往要用一個(gè)單例的類來(lái)管理這些數(shù)據(jù)

單例模式有兩種實(shí)現(xiàn)模式:餓漢實(shí)現(xiàn)方式和懶漢實(shí)現(xiàn)方式

[洗碗的例子]: 吃完飯, 立刻洗碗, 這種就是餓漢方式. 因?yàn)橄乱活D吃的時(shí)候可以立刻拿著碗就能吃飯. 吃完飯, 先把碗放下, 然后下一頓飯用到這個(gè)碗了再洗碗, 就是懶漢方式. 懶漢方式最核心的思想是 “延時(shí)加載”. 從而能夠優(yōu)化服務(wù)器的啟動(dòng)速度.

餓漢模式

在main函數(shù)之前,一開(kāi)始就創(chuàng)建對(duì)象

.h:

//餓漢模式:main函數(shù)之前,一開(kāi)始就創(chuàng)建對(duì)象
//全局只要唯一的Singleton實(shí)例對(duì)象,那么他里面的成員也就是單例的
class Singleton
{
public:
	//3.提供一個(gè)獲取單例對(duì)象的static成員函數(shù)
	static Singleton& GetInstance();

	//如果vector對(duì)象是私有,想訪問(wèn),只能再封裝一層
	//void PushBack(int x)
	//{
	//	_v.push_back(x);
	//}
	vector<int> _v;
private:
	//vector<int> _v;

	//1.構(gòu)造函數(shù)私有化,不能隨意創(chuàng)建對(duì)象
	Singleton()
	{}

	//防拷貝
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

	//2.類里面聲明一個(gè)static Singleton對(duì)象,在cpp定義這個(gè)對(duì)象
	//保證全局只要一個(gè)唯一對(duì)象
	//這里的static類比的是全局變量,只是受類域的限制,沒(méi)有改變鏈接屬性
	static Singleton _sinst;
};

.cpp:

#include "Singleton.h"

//定義
Singleton Singleton::_sinst;

Singleton& Singleton::GetInstance()
{
	return _sinst;
}

優(yōu)點(diǎn):簡(jiǎn)單

缺點(diǎn):main函數(shù)之前創(chuàng)建初始化的。如果單例對(duì)象的構(gòu)造函數(shù)中要做很多工作,可能會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程啟動(dòng)慢。

且如果有多個(gè)單例類對(duì)象實(shí)例啟動(dòng)順序不確定。

如果這個(gè)單例對(duì)象在多線程高并發(fā)環(huán)境下頻繁使用,性能要求較高,那么顯然使用餓漢模式來(lái)避免資源競(jìng)爭(zhēng),提高響應(yīng)速度更好。

懶漢模式

餓漢式在應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)就創(chuàng)建了 實(shí)例,餓漢式是線程安全的,是絕對(duì)單例的。懶漢式在對(duì)外提供的獲取方法被調(diào)用時(shí)會(huì)實(shí)例化對(duì)象。在多線程情況下,懶漢模式不是線程安全的。

第一次使用實(shí)例對(duì)象時(shí),創(chuàng)建對(duì)象。進(jìn)程啟動(dòng)無(wú)負(fù)載。多個(gè)單例實(shí)例啟動(dòng)順序自由控制。

//定義
Singleton* Singleton::_spinst = nullptr;
mutex Singleton::_mtx;

Singleton& Singleton::GetInstance()
{
	//雙檢查加鎖 提高效率
	if (_spinst == nullptr)
	{
		_mtx.lock();
		if (_spinst == nullptr)
		{
			//第一次調(diào)用
			_spinst = new Singleton;
		}
		_mtx.unlock();
	}

	return *_spinst;
}

void Singleton::DelInstance()
{
	if (_spinst != nullptr)
	{
		_mtx.lock();
		if (_spinst != nullptr)
		{
			delete _spinst;
			_spinst = nullptr;
		}
		_mtx.unlock();
	}
}

#pragma once
#include <vector>
#include <iostream>
#include <mutex>
using namespace std;

//懶漢模式:第一次調(diào)用GetInstance時(shí),才會(huì)創(chuàng)建初始化單例對(duì)象
//相對(duì)于餓漢,不存在可能會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)慢的問(wèn)題,也可以控制順序依賴的問(wèn)題了
class Singleton
{
public:
	//3.提供一個(gè)獲取單例對(duì)象的static成員函數(shù)
	static Singleton& GetInstance();

	//如果vector對(duì)象是私有,想訪問(wèn),只能再封裝一層
	//void PushBack(int x)
	//{
	//	_v.push_back(x);
	//}
	vector<int> _v;

		//或?qū)崿F(xiàn)一個(gè)內(nèi)嵌垃圾回收類
	class CGarbo {
	public:
		~CGarbo() {
			if (Singleton::_spinst)
				delete Singleton::_spinst;
		}
	};

	//定義一個(gè)靜態(tài)成員變量,程序結(jié)束時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用它的析構(gòu)函數(shù)從而釋放單例對(duì)象
	static CGarbo Garbo;
	
private:
	//vector<int> _v;

	//1.構(gòu)造函數(shù)私有化,不能隨意創(chuàng)建對(duì)象
	Singleton()
	{}

	//防拷貝
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

	//2.類里面聲明一個(gè)static Singleton對(duì)象,在cpp定義這個(gè)對(duì)象
	//保證全局只要一個(gè)唯一對(duì)象
	static Singleton* _spinst;
	static mutex _mtx;
};

到此這篇關(guān)于C++ 超詳細(xì)深入分析單例模式的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++ 單例模式內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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