C++ 精通之路：设计模式（特殊类设计）

2022-10-21
湖南
本文字数：3273 字
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C++精通之路：设计模式（特殊类设计）

本节内容：

介绍常见特殊类的设计方式

1.请设计一个类，只能在堆上创建对象

实现方式：

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
从而达到了在栈上无法开辟空间，只能通过 CreateObject（）函数在堆上创建空间

class HeapOnly{public:  static HeapOnly* CreateObj()  {    return new HeapOnly;//因为构造函数已经是私有的了，所以只能通过这个函数来创建对象  }     //在堆区的拷贝函数  //static HeapOnly* CopyObj(const HeapOnly& h)  //{  //  return new HeapOnly(h);  //}private:  HeapOnly()  {}  // 拷贝构造私有，并且只声明不实现(实现也是可以，但是没人用)  // C++98 -- 防拷贝  /*HeapOnly(const HeapOnly&)  {}*/  //public:  //  // C++11  HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;};

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在堆上不能创建：

在堆上通过 CreateObj()函数即可创建对象

2. 请设计一个类，只能在栈上创建对象

方法一：

同理，将构造函数私有化，然后设计静态方法创建对象返回即可。

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

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方法二：屏蔽 new

原理是用私有的 new 来覆盖掉编译器提供的全局 new，从而达到屏蔽 new 的效果
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。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);};

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3. 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
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

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

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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

原理：

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。

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;//...};

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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(){}};

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原理：子类调不到父类的构造函数，所以不能实例化，所以无法继承

C++11 方法

final 关键字，**final****修饰类，表示该类不能被继承。

class A final{// ....};

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5. 请设计一个类，只能创建一个对象(单例模式)

设计模式

介绍：

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。

实现：

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

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。

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;};Singleton Singleton::m_instance; // 在程序入口之前就完成单例对象的初始化

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优点：
简单
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。
缺点：
可能会导致进程启动慢(因为要在程序运行初始化好对象，对象过大时可能会导致初始化运行时间过长，从而让用户感受到进程启动慢)。
且如果有多个单例类对象实例启动顺序不确定。所以假如在继承条件下，无法保证父类在子类之前初始化。

懒汉模式

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。

#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) //双重判断，使效率提高{     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;}
int main(){thread t1(func, 10);thread t2(func, 10);t1.join();t2.join();cout << Singleton::GetInstance() << endl;cout << Singleton::GetInstance() << endl;}

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优点：

进程启动无负载。
多个单例实例启动顺序自由控制。
不会出现饿汉模式下：如果有多个单例类对象实例启动顺序不确定的情况

缺点：

复杂，因为在多线程下，单例模式下的对象相当于临界资源.
饿汉模式下,在程序启动时就将对象初始化了，要调用对象时，只需返回指针（只进行了读操作，没有进行写操作）。所以不需要管理此行为
而在懒汉模式下，在程序启动时，对象未初始化。需要在 static Singleton* GetInstance() 函数内初始化，这里就有对临界资源的写操作了，所以要用到互斥锁等工具来保护临界资源，较为复杂

总结：

以上这几种设计都是通过 staic 的特性来实现的

前面四种条件是通过将目标函数私有化，使其在外部不可调用。且用 staic 成员函数来在特定的条件下实行构造。（用到了 staic 成员函数可在类未初始化时就可调用的特性）
单例模式则是通过 staic 成员变量的原子性来实现的。单例模式利用了一个 staic 成员指针，指向一个类。再通过将目标函数（构造函数等）私有化，使其在外部不可调用。且用 staic 成员函数来实现对类的构造。
在创造的时机上又有两种模式：

ps

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1.请设计一个类，只能在堆上创建对象

2. 请设计一个类，只能在栈上创建对象

3. 请设计一个类，不能被拷贝

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)

设计模式

饿汉模式

懒汉模式

总结：

ps

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