C++深入详解单例模式与特殊类设计的实现

目录
  • 单例模式
    • 什么是单例模式
    • 应用场景
    • 优缺点
    • 实现
      • 饿汉模式
      • 懒汉模式
  • 特殊类设计
    • 设计一个类只能在堆上创建对象
      • 方法一
      • 方法二
    • 只能在栈上创建对象
      • 方法一
      • 方法二
    • 一个类不能被继承
    • 最后

单例模式

什么是单例模式

单例模式(Singleton),保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点。–大话设计模式

应用场景

保证一个类只有一个实例

  • 如Windows下的任务管理器,回收站等。
  • 日志管理,计数器等。

简而言之,你需要唯一实例时就可以考虑单例模式。这样它可以严格地控制客户怎样访问即何时访问它,即对唯一实例的受控访问。

优缺点

优点

  • 减少内存开销,因为在系统中只有一个实例。
  • 避免了频繁的创建和销毁对象,提高了性能
  • 避免对资源的多重占用,比如单例时多人只写一个日志文件,如果有多个日志文件可能导致对相同的日志文件进行写操作
  • 设置全局访问点

缺点

  • 职责过重,与单一职责存在冲突
  • 不能继承(构造方法私有)

实现

单例模式有两种实现模式,懒汉模式和饿汉模式。

注意单例模式的概念,大概就是唯一实例且有全局访问点,我们从这两点入手。

唯一实例:构造函数私有+防拷贝

拷贝构造是一种构造方式,所以需要防止,构造函数私有不让别人new。

全局访问点:给一个公共的接口

饿汉模式

简单来说,把东西一开始就做好,需要的时候直接吃。

#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
	static Singleton& GetInstance()
	{
		return _instance;
	}
	int GetRandom()//由于侧重点不是随机数 所以直接返回一个30
	{
		return 30;
	}
private:
	Singleton() {}//构造函数私有
	Singleton(Singleton&) = delete;//防拷贝,被=delete修饰表明这个函数被删除,即可以只声明不实现,换言之禁用了该函数
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;//防拷贝
	static Singleton _instance;
};
Singleton Singleton::_instance;//类外必须初始化,类内只是声明
int main()
{
	//1.调用
	cout<<Singleton::GetInstance().GetRandom()<<endl;
	//2.
	Singleton& s = Singleton::GetInstance();
	cout<<s.GetRandom()<<endl;
	return 0;
}

通过防拷贝和构造函数私有化之后下面的几种办法都失效了

Singleton s;//err
Singleton s1(s);//err
Singleton s1=s;//err

从上面我们可以看出饿汉模式的优缺点了,有点显而易见就是实现很简单粗暴,缺点很明显,类加载时单例对象就已经生成了,即还没有用就已经加载出来了,比如这个资源很大,又在游戏启动时加载,那就会造成游戏启动很慢。且如果有多个单例对象启动时实例化顺序不确定(不同源文件类内的单例对象实例化顺序是不确定的,懒汉模式解决了这个问题,因为懒汉模式的实例化在函数内部,可以通过调用函数的顺序来解决实例化的顺序问题)。

类加载时静态初始化解决了线程安全问题。

懒汉模式

什么时候需要就什么时候做饭,然后吃。

class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		if (_instance == nullptr)
		{
			_mtx.lock();//double lock保证线程安全
			if (_instance == nullptr)//必须再次检查  不然可能另一个线程那已经new完了,这边又new违背了单例,且可能覆盖数据。
			{
				_instance = new Singleton();
			}
			_mtx.unlock();
		}
		return _instance;
	}
	int GetRandom()
	{
		return 30;
	}
	class Clear//资源回收的内部类,必须是公有的,不然外部声明报错
	{
	public:
		~Clear()
		{
			cout << "释放资源" << endl;
			delete _instance;
		}
	};
private:
	static Clear _cle;
	Singleton() {}
	Singleton(Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
	static Singleton* _instance;
	static mutex _mtx;//线程安全
};
Singleton* Singleton::_instance = nullptr;
mutex Singleton::_mtx;
Singleton::Clear _cle;
int main()
{
	//1.
	cout<<Singleton::GetInstance()->GetRandom()<<endl;
	//2/
	static Singleton* s = Singleton::GetInstance();
	cout << s->GetRandom() << endl;
	//不能用左值引用接收的原因  返回值是右值 得用右值引用接收
	//为什么函数返回值是右值  因为返回值是借助临时变量返回的拿不到地址
	//如果返回值是左值引用就能用左值引用接收
	return 0;
}

懒汉模式的优缺点也很明显,优点是什么时候第一次用就什么时候实例化,此外可以通过调用函数解决多个单例对象实例化的顺序问题,缺点就是写起来复杂,要考虑线程安全和内存泄露方面的问题。懒汉采用的是指针也更好回收资源(饿汉采用的是对象)

懒汉可能因为多线程丢数据,线程加锁保证在多线程环境下一定只有一个线程去new对象,只创建出一个单例对象,加锁可能导致频繁切换上下文,double lock解决。

特殊类设计

我们一般会通过构造函数,拷贝构造和赋值重载创建对象,现在把这几种方法全禁用了,然后自己再写一个外部可调用的接口来自定义类的创建方式。

当然也有别的办法,这种经常可以作为一种通解思路。

下面的禁用采用C++11的delete关键字实现,作用是禁止编译器生成默认的函数版本,即有声明但无实现。

设计一个类只能在堆上创建对象

简单来说只能通过new来创建对象。

方法一

构造方法禁用,然后给一个接口让外部调用。

构造方法的禁用=构造函数私有+禁用拷贝构造+禁用赋值重载

class HeapOnly
{
public:
	static HeapOnly* GetInstance()
	{
		return new HeapOnly;
	}
	void Test()
	{
		cout << "I am Test" << endl;
	}
private:
	HeapOnly() {}
	HeapOnly(HeapOnly&) = delete;
	HeapOnly& operator=(const HeapOnly&) = delete;
};
int main()
{
	HeapOnly* ho = HeapOnly::GetInstance();
	ho->Test();
	delete ho;
	return 0;
}

方法二

析构函数私有

对象建立在栈上,是由编译器分配空间的,编译器管理对象的生命周期,对象使用完后编译器会检查这个对象所有的非静态函数,包括析构函数,当编译器发现析构函数不能访问后就不能回收这块空间,所以编译器无法为其分配空间,编译器检查到这种情况也会报错。

析构函数私有的方法不建议使用,因为在类外无法使用delete释放空间,容易造成内存泄漏。

class HeapOnly
{
public:
	void Test()
	{
		cout << "I am Test" << endl;
	}
private:
	~HeapOnly();
};
int main()
{
	//HeapOnly ho_stack;//err
	HeapOnly* ho = new HeapOnly;
	ho->Test();
	return 0;
}

只能在栈上创建对象

方法一

不能使用new --> 重载operator new即可。

这种存在一个缺陷,就是仍然可以在静态区创建对象

方法二

将构造函数设为私有再自定义一个接口

这里不用禁用构造函数,拷贝构造,赋值重载,因为对于下面的场景来说,匿名对象的拷贝构造更符合场景,编译器会选拷贝构造来进行构造,所以如果我们禁用了拷贝构造会报错,因为我们的delete关键字是有声明无实现,并不是真的把这个函数连带声明删除了。所以StackOnly()一看有我们自己写的拷贝构造的声明就会去匹配这个拷贝构造,我们自己写的拷贝构造又没有实现拷贝功能就会报错。

理解这个和编译链接知识有关,编译器看到声明就去匹配了,而不是一定要看到函数实现才匹配,链接时候才会去找实现,当发现有声明无实现时就很容易导致链接错误。

一个类不能被继承

父类构造函数私有即可,构造时先构造父类再构造子类,父类构造不出不能继承。

最后

关于单例模式,可以说是只能创建一个对象的实现。

还有个小问题,为什么不用全局变量代替单例模式,全局定义一个唯一的变量不就行了,合理吧[doge],理论上可以,但是非常不建议,可以自行查找资料"为什么不建议使用全局变量"。

全局变量的使用可能带来很多问题,而且很容易造成链接、重定义等错误,如果多人协作时有人再给这个变量起个别名,那维护代码时代价就太大了,这还只是全局变量的一个小缺点。

牛客代码规范评分里也不建议用全局变量,当然写题时代码没那么长,几个全局变量倒时不打紧。

.h不能包含定义,不然多个cpp去包含就会有链接错误,尽量把定义和声明分离开来

【82】【Cherno C++】【中字】C++的单例模式_哔哩哔哩_bilibili

Github代码汇总

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