C++特殊类设计

一、设计模式的概念

1、设计模式(Design Pattern)是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。

2、使用设计模式是为了可重用代码、让代码更容易被他人理解、提高代码的可靠性。

3、设计模式一般有如下几个基本要素：模式名称、问题、目的、解决方案、效果、实例代码和相关设计模式，

4、其中的关键元素包括以下四个方面：模式名称，问题，解决方案，效果。

5、设计模式分为三大类：创建型模式、结构型模式、行为型模式

<1>创建型模式(5种)：工厂方法、抽象工厂方法、单例模式、建造者模式、原型模式
<2>结构型模式(8种)：适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式
<3>行为型模式(13种)：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式

二、特殊类设计：只能创建一个对象的类(单例模式)

在我们平时写代码中，单例模式是使用的最多的一种设计模式
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
单例模式分为：懒汉单例模式，饿汉单例模式，登记时单例模式

2.1 饿汉单例模式

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。

// 饿汉模式
// 优点：简单
// 缺点：可能会导致进程启动慢，且如果有多个单例类对象实例启动顺序不确定。
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++11Singleton(Singleton const&) = delete;Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;static Singleton* m_instance;
};
// 在程序入口之前就完成单例对象的初始化
Singleton* Singleton::m_instance = new Singleton; int main()
{cout << Singleton::GetInstance() << endl;cout << Singleton::GetInstance() << endl;cout << Singleton::GetInstance() << endl;return 0;
}

饿汉单例模式总结：

1、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
2、饿汉单例模式优点：
保证全局（整个进程）只有唯一实例对象。
            饿汉模式：一开始就创建对象，特别简单。
3、饿汉单列模式缺点：
            多个单例对象A,B,C假设要求他们之间有依赖关系:依次创建,就无法达到,无法保证顺序。
         可能会导致程序启动很慢。

2.2 懒汉单例模式

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。

// 懒汉
// 优点：第一次使用实例对象时，创建对象。进程启动无负载。多个单例实例启动顺序自由控制。
// 缺点：复杂
#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) {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;
}// 多线程环境下才能演示上面GetInstance()加锁和不加锁的区别
int main()
{thread t1(func, 10);thread t2(func, 10);t1.join();t2.join();cout << Singleton::GetInstance() << endl;cout << Singleton::GetInstance() << endl;
}

懒汉单例模式总结：

懒汉模式：第一次调用的时候才会创建初始化实例
如果不加锁是会出现线程安全的问题
但是加锁是会十分影响性能的，所以引入了双检查
既要保证线程安全+又要保证效率的问题

三、特殊类设计：不能被拷贝的类

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

对于C++98而言：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

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

原因：

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
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

对于C++11而言： 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;//...
};

四、特殊类设计：只能在堆上创建对象

基本思路：

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
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

//只能在堆上创建对象的类
class HeapOnly
{
public:static HeapOnly* CreateObj(){return new HeapOnly;}HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;private:HeapOnly(){}//HeapOnly(const HeapOnly&);
};//HeapOnly::HeapOnly(const HeapOnly&)
//{}int main()
{//HeapOnly ho;//HeapOnly* p = new HeapOnly;HeapOnly* p = HeapOnly::CreateObj();HeapOnly copy(*p);return 0;
}

五、特殊类设计：只能在栈上创建对象的类

方法一：和只能在堆上创建对象的类一样

class StackOnly
{
public:static StackOnly CreateObject(){return StackOnly();}
private:StackOnly(){}
};

还是和上面相同的做法，但是这里就不能禁用拷贝构造了，因为在返回的时候肯定是返回一个局部对象，所以 CreateObject 只能传值返回，但是只要是传值返回就肯定是要拷贝构造，那么如果把拷贝构造禁用了，那么返回的时候就会有问题

方法二：屏蔽new

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，同时也要防止定位new

class StackOnly
{
public:StackOnly() {}
private:void* operator new(size_t size);void operator delete(void* p);
};int main()
{StackOnly so;StackOnly* p = new StackOnly;static StackOnly sso;return 0;
}

因为 new 的时候是由两部分构成，第一部分是申请空间调用 operator new ，默认是调用全局的 operator new，再调它的构造函数。但是一个类可以重载专属的 operator new，所以这时肯定就会调用专属的 operator new ，所以我们将 operator new 设为私有，那么这时就调用不动了。

当然也可以用 C++11 的方法去实现
但是这个方法有缺陷，虽然可以在栈上创建对象，不能在堆上创建对象了：

但是可以在静态区去创建对象，所以这个方法是有一些缺陷的

六、特殊类设计：不能被继承的类

对于C++98而言：

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
无法继承的原因是父类私有成员在子类不可见

class NonInherit
{
public:static NonInherit GetInstance(){return NonInherit();}
private:NonInherit(){}
};

也就是说子类的构造函数想要初始化父类的那一部分，不能自己去对那一部分去初始化，而是要调用父类的构造函数去初始化，所以我们只要将父类的构造函数设为私有的，那么子类就看不到父类的构造函数，也就无法对其初始化，也就不能够被继承
但是这里其实还是不够彻底的：

我们可以看到，其实是可以继承的，但是这里真正限制的是：

也就是子类继承后不能实例化出对象来，但是其实不能实例化出对象来，这个类就费了一半了，因为我们在使用类的时候基本都是实例化出对象，然后通过对象去进行一番操作
但这也是不彻底的，所以才有了 C++11 的一个关键字 final