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[C++知识库]C++之特殊类的设计(单例模式)

特殊类的设计(单例模式)

文章目录

特殊类的设计(单例模式)

请设计一个类，只能在堆上创建对象

方法一

正常情况下我们既可能在栈上有可能在堆上创建对象，现在要求只能在堆上创建对象，我们可以将析构函数设置成私有，当在栈上创建对象后，最后释放对象时会报错，因为析构函数是私有的，那么有人说堆上的对象也要调用析构函数呀，我们的解决办法是加一个公有的成员函数专门来delete，成员函数是可以访问私有的，故我们在外面释放堆上的对象时可以调用这个公有的接口

实现如下：

#include<iostream>
using namespace std;

class OnlyHeap
{
public:
    void DestoryObj(OnlyHeap* ptr)
    {
        delete ptr;//类里面可以访问私有
    }
    void DestoryObj()
    {
        delete this;//类里面可以访问私有
    }
private:
    ~OnlyHeap()
    {
        cout<<"~OnlyHeap()"<<endl;
    }
    int _a;  
};
int main()
{
    OnlyHeap oh;//报错，在析构时没有不能访问私有
    OnlyHeap *ptr = new OnlyHeap;
    ptr->DestoryObj();
    return 0;
}

方法二

也可以将构造函数私有：

构造函数私有化
提供一个公有函数创建对象，对象创建都在堆上
公有函数设置成静态可以突破类域解决问题

#include<iostream>
using namespace std;

class OnlyHeap
{
public:
	//2. 提供一个公有函数创建对象，对象创建都在堆上
    OnlyHeap* CreateObj()
    {
        return new OnlyHeap;//类里面可以访问私有
    }
    //设置成静态可以解决问题：
    static OnlyHeap* CreateObj()
    {
        return new OnlyHeap;//类里面可以访问私有
    }
private:
    //1. 构造函数私有化
    OnlyHeap()
    {
        cout<<"OnlyHeap()"<<endl;
    }
    int _a;  
};
int main()
{
    OnlyHeap oh;//报错，在构造时没有不能访问私有
    OnlyHeap *ptr = OnlyHeap::CreateObj();//调用非静态成员函数需要实例化对象，突破类域就可以，成员函数设置成静态的，不然会报错
    ptr->DestoryObj();
    return 0;
}

但是上面的写法还是有缺陷：

OnlyHeap copy(*ptr);//拷贝构造

我们可以通过拷贝构造创建栈对象，所以我们可以将拷贝构造设置成私有：

C++98中将拷贝构造设置成私有称为防拷贝：只声明，不实现，声明成私有

C++11，可以将拷贝构造声明如下：

```cpp
OnlyHeap(const OnlyHeap& oh) = delete;
```

//可以将拷贝构造设置成私有
#include<iostream>
using namespace std;

class OnlyHeap
{
public:
	//2. 提供一个公有函数创建对象，对象创建都在堆上
    OnlyHeap* CreateObj()
    {
        return new OnlyHeap;//类里面可以访问私有
    }
    //设置成静态可以解决问题：
    static OnlyHeap* CreateObj()
    {
        return new OnlyHeap;//类里面可以访问私有
    }
private:
    //1. 构造函数私有化
    OnlyHeap()
    {
        cout<<"OnlyHeap()"<<endl;
    }
    //C++98 防拷贝 -- 只声明，不实现，声明成私有
    OnlyHeap(const OnlyHeap& oh);//没必要去实现拷贝构造
    //这样做就不会生成默认的拷贝构造函数
    //or
    //C++11
    OnlyHeap(const OnlyHeap& oh) = delete;
    int _a;  
};
int main()
{
    OnlyHeap oh;//报错，在构造时没有不能访问私有
    OnlyHeap *ptr = OnlyHeap::CreateObj();//调用非静态成员函数需要实例化对象，突破类域就可以，成员函数设置成静态的，不然会报错
    ptr->DestoryObj();
    return 0;
}

如果是上面实现的话，就不用考虑防止拷贝构造了，因为拷贝构造出来最后也需要调用析构函数，因为析构是私有，所以也会报错，我们主要需要理解第二种方式，因为设计思路非常通用。

请设计一个类，只能在栈上创建对象

方法一

通过上面的学习，相信这个问题就变得简单了，解决方法为：将构造函数私有化，给一个公有的静态成员函数在栈上创建对象

class StackOnly
{
public:
    static StackOnly CreateObj()
    {
        return StackOnly();
    }
private:
    StackOnly()
        :_a(0)
    {
        cout<<"StackOnly()"<<endl;
    }
    int _a;
}
int main()
{
    StackOnly so;//不能创建
    StackOnly* ptr = new StackOnly;//不能创建
    StackOnly::CreateObj();//突破类域去调用静态成员函数在栈上创建对象 
    return 0;
}

方法二

还有一种方法是重载一个类专属的operator new，将它设置成私有，因为new创建对象时会调用operator new申请空间。

class StackOnly
{
public:
    StackOnly()
        :_a(0)
    {
        cout<<"StackOnly()"<<endl;
    }
private:
    //重载一个类专属的operator new
    //只声明
    //C++98 防调用 -- 只声明不实现，声明为私有
    void* operator new(size_t size);
    void* operator delete(void* ptr);
    
    //C++11
    void* operator new(size_t size) = delete;
    void* operator delete(void* ptr) = delete;
    
    int _a;
}
int main()
{
    StackOnly so;
    StackOnly* ptr = new StackOnly;
    return 0;
}

我们这里将operator new限制住，这种方式存在一些漏洞，因为无法禁止在静态区创建对象：

static StackOnly sso;

请设计一个类，不能被拷贝

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

C++98的实现方式：

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

为什么设置成私有：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

为什么只声明不定义：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;
//...
};

请设计一个类，不能被继承

C++98中我们将父类构造函数设置成私有，父类可以使用静态成员函数创建对象，这样可以解决这个问题，但是这种方式不够直接，没有直接禁止继承，这里其实是可以继承的，但是Derive不能创建对象，因为Derive的构造函数必须要调用父类NonInherit的构造函数，但是NonInherit构造函数是私有，在子类中不可见，那么这里继承不会报错，继承的子类创建对象就会报错

class NonInherit
{
public:
    //父类可以使用静态成员函数创建对象
    static NonInherit GetInstance()
    {
        return NonInherit();
    }
private:
    //构造函数私有
    NonInherit()
    {}
};
//C++98 这种方式不够直接，没有直接禁止继承
//这里是可以继承的，但是Derive不能创建对象，因为Derive的构造函数必须要调用父类NonInherit的构造函数，但是NonInherit构造函数是私有，在子类中不可见，那么这里继承不会报错，继承的子类创建对象就会报错
class Derive : NonInherit
{};
int main()
{
    
    return 0;
}

C++11的实现方法：我们可以在父类后面加一个关键字final，这样直接就禁止了继承

class NonInherit final
{};
class Derive : NonInherit
{};
int main()
{
    
    return 0;
}

C++11的不能被继承的方式，简单明了直接

请设计一个类，只能创建一个对象(单例模式)

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

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。

单例模式的本质是去管理全局对象，定义一个全局对象，大家都能用也能保证单例，但是这种方式存在很大的缺陷，你要让大家都能用，这个对象你只能定义在一个.h，如果这个.h在包含在多个.cpp，链接会报错

Singleton.h

#include<vector>
//全局定义一个，大家都用它
std::vector<int> v;
void f1();

Singleton.cpp

//.h
#include"Singleton.h"
void f1()
{
    v.push_back(1);
    v.push_back(2);
    v.push_back(3);
    
    for(auto e :v)
    {
        cout<< e <<" ";
    }
    cout<<endl;
}

test.cpp

#include<Singleton.h>
//.h
void f2()
{
    v.push_back(11);
    v.push_back(22);
    v.push_back(33);
    
    for(auto e :v)
    {
        cout<< e <<" ";
    }
    cout<<endl;
}
int main()
{
    f1();
    f2();
    return 0;
}

这样编译会报错，为什么呢？全局链接时会发现有两个命名v，会产生二义性，所以会报错，为了不报错，我们这样解决：

#include<vector>
void f1();
static std::vector<int> v;

将v定义成全局静态，每个文件独自拥有v，但是不再是同一个对象，每个.cpp中各自是一个对象，但是这样会有多个vector对象了，那么怎么让不同的CPP访问到同一个vector呢？

将声明和定义分离，在.h里面声明，在.cpp里面定义就可以解决

注意不能在.h里面定义，这样的话所有包了头文件的地方都会有定义，这就重复定义了

.h文件对他声明：

#include<vector>
#nclude<iostream>
using namespace std;
//全局定义一个，大家都用它
std::vector<int> v;
void f1();
//static vector<int> v;
extern vector<int> v;//声明

extern关键字可以置于变量或函数前，以标示变量或者函数的定义在别的文件中，提示编译器遇到此变量和函数时在其它模块寻找其定义

.cpp文件进行定义：

#include<Singleton.h>
//.h
void f1()
{
    v.push_back(11);
    v.push_back(22);
    v.push_back(33);
    
    for(auto e :v)
    {
        cout<< e <<" ";
    }
    cout<<endl;
}
//定义
vector<int> v;

这样此时只会有一个vector的对象了。

单例模式的实现

全局只有唯一的实例对象，那么他里面的成员也就是单例的。static修饰成员变量保证了全局只有一个唯一一个。

饿汉模式

饿汉模式：在进入main函数之前就创建对象

构造函数私有化，保证不能随意创建对象
类里面声明一个static Singleton对象(static修饰的成员全局就一个)，在.cpp文件定义这个对象，声明和定义分离
提供一个获取单例对象的static成员函数

定义需要放在.cpp文件中：

//定义
Singleton Singleton::_sinst;
//获取单例对象的static成员函数的实现
Singleton& Singleton::GetInstance()
{
    return _sinst;
}

.h文件

class Singleton
{
public:
    //3、提供一个获取单例对象的static成员函数
    static Singleton& GetInstance();
    //获取实例对象
    //如果vector对象是私有，想访问，只能再封装一层
    void PushBack(int x)
    {
        _v.push_back(x);
    }
private:
    //1、构造函数私有化，不能随意创建对象
    Singleton()
    {}
private:
    vector<int> _v;
    //2、类里面声明一个static Singleton对象，在cpp定义这个对象、
    //保证了全局只有一个唯一对象
    static Singleton _sinst;
};

int main()
{
    Singleton::GetInstance();//这样就获取到了这个对象
    return 0;
}

但是我们上面设置的类还有缺陷，当前类可以拷贝构造，所以将拷贝构造也设置成私有：

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

饿汉模式缺陷:单例对象是main函数之前创建初始化的

如果单例对象的构造函数中要做很多工作，可能会导致程序启动慢
如果多个单例类，并且它们之间有依赖关系，那么饿汉模式无法保证

假设有三个单例类，要求三个之间有依赖关系，需要Singleton1先生成才能有Singleton2，需要有Singleton2才能有Singleton3：

那么饿汉模式无法保证，全局的静态变量在初始化时不能保证谁先初始化谁后初始化，为了更好的控制这些问题，有人就给出懒汉模式：

懒汉模式

第一次调用GetInstance时，才会创建初始化单例对象，相对于饿汉，不存在可能会导致启动慢的问题，也可以控制顺序依赖的问题了

.cpp文件里定义：

//定义
Singleton* Singleton::_spinst = nullptr;
Singleton& Singleton::GetInstance()
{
    if(_spinst == nullptr)
    {
        _spinst = new Singleton;
    }
    return *_spinst;
}
//获取实例对象

class Singleton
{
public:
    //3、提供一个获取单例对象的static成员函数
    static Singleton& GetInstance();
    //获取实例对象
    //如果vector对象是私有，想访问，只能再封装一层
    void PushBack(int x)
    {
        _v.push_back(x);
    }
private:
    //1、构造函数私有化，不能随意创建对象
    Singleton()
    {}
private:
    vector<int> _v;
    //2、类里面声明一个static Singleton对象，在cpp定义这个对象、
    //保证了全局只有一个唯一对象
    static Singleton* _spinst;
    
};

我们现在这样写还是有问题的，有线程安全问题。假设有t1，t2两个线程，当_spinst不为nullptr，t1线程进去还没创建对象，而t2线程来了，此时t2也判断_spinst不为nullptr，也去创建对象了，此时就保证不了单例

所以我们需要再给一个成员mutex进行加锁：

class Singleton
{
public:
    //3、提供一个获取单例对象的static成员函数
    static Singleton& GetInstance();
    //获取实例对象
    //如果vector对象是私有，想访问，只能再封装一层
    void PushBack(int x)
    {
        _v.push_back(x);
    }
private:
    //1、构造函数私有化，不能随意创建对象
    Singleton()
    {}
private:
    vector<int> _v;
    //2、类里面声明一个static Singleton对象，在cpp定义这个对象、
    //保证了全局只有一个唯一对象
    static Singleton* _spinst;
    static mutex _mtx;//线程操作
};

需要注意的是_mtx在.cpp文件中定义，不然链接时会出错：

//定义
Singleton* Singleton::_spinst = nullptr;
mutex Singleton:: _mtx;
//加锁保证在多线程环境下面，一定只有一个线程区new对象，只创建出一个单例对象
Singleton& Singleton::GetInstance()
{
    _mtx.lock();
    if(_spinst == nullptr)
    {
        _spinst = new Singleton;
    }
    _mtx.unlock();
    return *_spinst;
}

但是这样加锁后还会有问题，我们访问这段代码有两种情况：

1、同时有多个线程进来

2、不同时

但是当_spinst不为nullptr了以后，其他线程来了还是要加锁解锁，效率低，那么能这样加锁吗？

//定义
Singleton* Singleton::_spinst = nullptr;
mutex Singleton:: _mtx;
//加锁保证在多线程环境下面，一定只有一个线程区new对象，只创建出一个单例对象
Singleton& Singleton::GetInstance()
{
    if(_spinst == nullptr)
    {
    	_mtx.lock();
        _spinst = new Singleton;
    	_mtx.unlock();   
    }
    return *_spinst;
}

不能，这样会存在线程安全问题，当第一个线程来了后，_spinst不为空，进去加锁创建对象了，在第一个线程还没有创建对象时，第二个线程来了，也判断_spinst不为空，但是此时有锁他进不去，当第一个线程创建完线程后解锁后，第二个线程也来了，但是此时_spinst已经不为空，再创建就有问题了

所以我们进行双检查提高效率，保证了除了第一个线程需要获取锁之外，其他线程都不需要获取锁，直接返回对象，既能保证线程安全又能提高效率

//定义
Singleton* Singleton::_spinst = nullptr;
mutex Singleton:: _mtx;
//加锁保证在多线程环境下面，一定只有一个线程区new对象，只创建出一个单例对象
Singleton& Singleton::GetInstance()
{
    //双检查
    if(_spinst == nullptr)
    {
        _mtx.lock();
        if(_spinst == nullptr)
        {
            _spinst = new Singleton;
        }
        _mtx.unlock();
    }
    reurn *_spinst;
}

其次，懒汉是可以主动去释放的：

static void DelInstance();

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