C++特殊类设计(单例模式等)

目录

引言

1.请设计一个类,不能被拷贝

2. 请设计一个类,只能在堆上创建对象

为什么设置实例的方法为静态成员呢

3. 请设计一个类,只能在栈上创建对象

4. 请设计一个类,不能被继承

5. 请设计一个类,只能创建一个对象(单例模式)

饿汉模式

懒汉模式

单例对象一般不考虑析构

为什么私有析构呢?


引言

在当今的软件开发实践中,特殊类设计模式扮演着至关重要的角色,它们不仅提高了代码的可维护性和可扩展性,还确保了系统的稳定性和性能。其中,单例模式作为最常用的设计模式之一,以其独特的实例管理方式,成为了许多场景下的首选解决方案。本文旨在探讨C++中单例模式及其他特殊类设计的精髓,通过分析其背后的设计哲学和实现技巧,帮助读者掌握这些高级编程技巧,以提升其在软件开发过程中的设计能力和代码质量。

在我们设计一个特殊类的时候,一般要把构造、拷贝和赋值私有保护,防止被其他类拷贝或者产生不想要(意料之外)的错误。

1.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
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&);//...
};

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;//...
};

同时我们还可以设置一个基类,让子类继承基类,让子类正常实现功能,设置基类不可被拷贝即可。

2. 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。
只能在堆上创建对象,即只能new对象,不允许在栈上创建临时变量。当然要禁用拷贝、构造、赋值函数(非单例)
class HeapOnly    
{     
public:     static HeapOnly* CreateObject()  {      return new HeapOnly;    }
private:    HeapOnly() {}// C++98// 1.只声明,不实现。因为实现可能会很麻烦,而你本身不需要// 2.声明成私有HeapOnly(const HeapOnly&);// or// C++11    HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
}

由于没有this指针,无法调用构造,而是只是去new这个镀锡,由系统去完成资源的申请


静态不能调用非静态就是因为没有this指针,缺少调用的参数

但是new和delete这种操作不需要this指针

那每次调的时候,返回的都是一个新的静态对象吗?--- NO!这个方法是静态的,但是返回的变量不是静态的

为什么设置实例的方法为静态成员呢

收线确定的是,一定是内部new创建的对象。

因为如果设置为非静态成员,那就只能通过对象去调用,但是我们不能去在栈区创建对象。

并且构造私有,外部一定不可以创建对象,只能用类调用,所以必须静态!

为什么禁用拷贝构造:比如A a1(a2);这样a1依然是在栈区!

3. 请设计一个类,只能在栈上创建对象

只能通过类型创建,禁止new对象

方法一:同上将构造函数私有化,然后设计静态方法创建对象返回即可
依然需要把构造私有,需要注意的是,不能把构造和拷贝工构造私有
class StackOnly
{
public:static StackOnly CreateObj(){StackOnly obj;return obj;}void* operator new(size_t size) = delete;void operator delete(void* p) = delete;
private:StackOnly()  :_a(0){}
private:int _a;
};

1.设置为静态:

并且构造私有,外部一定不可以创建对象,只能用类调用,所以必须静态!

2.为什么不可以禁用拷贝构造:比如A a1(a2);这样a1依然是在栈区!符合要求,并且匿名对象的声明周期只在这一行!为了防止匿名对象周期太短,无法进行较好的连续性开发,所以需要赋值给另一个栈区的对象。

3.可以返回临时对象,只需要赋值给其他对象即可(栈区);也可以返回非匿名对象,也是采用赋值的方式进行连续性开发。

4.为了防止创建堆区对象,需要禁用new和delete(为了防止创建栈区对象时,需要禁用拷贝、赋值)

        

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(){}
};
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:
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。
单例模式有两种实现模式:

饿汉模式

饿汉模式:已经饿得不行了,要求立刻有东西吃,即在main函数之前就得创建好---全局

饿汉:设置为全局,提前创建。

既然是单例,一定先把构造私有。

在类的外部虽然不能创建全局的对象,但是在类的内部可以创建。----思路:类的内部声明静态成员,类的外部定义,这样就是一个全局的数据。

demo
// 懒汉模式:第一次用的时候再创建(现吃现做)
class A {
public:static A* GetInstance() {return _inst;}
private:A() {}map<string, string> _dict;int _n = 0;static A* _inst;
};

我们在类的内部创建对象的时候,当然不能

   class        A

        A   _a;

  }

这样属于嵌套定义。
但是也不能内部用静态成员方法去获取,因为函数需要在主函数内调用。
当我们在内部使用静态成员的时候,当然不是嵌套定义,因为静态不属于某个对象,而是属于整个类。并且,我们只能是在类内声明,并没有定义,需要在类的外部定义。
在类的外部定义的时候,只需要点名:类型 + 作用域即可,不需要再次声明静态,静态只需要声明一次即可,但是定义(实例化),必须使用类型。
当需要使用这个实例的时候,调用实例方法去获取即可。
总结:
1.类内声明静态,类外实例化静态(全局)
2.类内提供获取实例的犯法
同时删除拷贝构造和赋值

访问成员需要借助对象,这时候就需要调用GetInstance函数

优点:创建简单 

缺点:1.进程启动慢

           2.一旦存在两个全局单例,不能控制单例启动的先后顺序。

懒汉模式

现吃现做,不着急,main函数内创建。

  只需要把静态的对象换成指针即可,获取实例的时候,如果指针是nullptr,那么创建,如果不是,那么直接返回

线程不安全,两个线程同时进来,可能会new两个对象---加锁

单例对象一般不考虑析构

恶汉不存在释放的问题--全局,

懒汉对象也一般不需要释放---单例对象一般是生命周期伴随整个程序,对整个程序都起到至关重要的作用,进程结束时,会自动释放。

就算要释放,如果我们期望既可以手动释放(析构不能手动释放),也可以在main函数结束时自动释放

class B
{
public:static B* GetInstance(){if (_inst == nullptr){_inst = new B;}return _inst;}static void DelInstance(){if (_inst){delete _inst;_inst = nullptr;}}private:B(){}~B(){// 持久化:要求把数据写到文件cout << "数据写到文件" << endl;}B(const B& aa) = delete;B& operator=(const B& aa) = delete;map<string, string> _dict;int _n = 0;static B* _inst;class gc{public:~gc(){DelInstance();}};static gc _gc;
};B* B::_inst = nullptr;
B::gc B::_gc;

可以私有析构函数

提供一个调用析构函数的接口DelInstance,我们可以手动调用这个接口去进行析构。

我们新建一个内部类,这个内部类是外部类的友元,可以访问私有。等main函数结束的时候_gc调用析构,析构会调用DelInstance。

这样可以做到:1.显示释放(析构不允许显示调用,但是delete指针的时候,可以调用析构)

                        2.没有显示释放,等程序结束也会释放

为什么私有析构呢?

B* instance = B::GetInstance();
delete instance;

B* instance2 = B::GetInstance();

如果是public的话,每个人可以自己delete这个,那么就违背单例模式的原则了!

而这块放的这个DelInstance函数是意思万一情况下,不使用单例了,自己想释放的话,可以通过这个函数释放,但是一般也不会这样做的,一般gc就替咱们回收了

总之就是:不能让其他人去随便delete单例,所以私有;同时希望gc能够管理单例,等程序结束,gc清理的时候,gc会协助清理单例

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