单例模式、工厂模式 c++关键字 static

static 关键字的作用：

主要作用在于控制变量或函数的作用域、生命周期以及它们如何被不同部分的程序访问，从而帮助程序员管理内存、避免命名冲突，并实现特定的设计模式（如单例模式）。

1. 静态局部变量：当在一个函数内部声明一个静态局部变量（如下面单例模式示例中的static BoxFactory boxFactory;），这个变量的生命周期将延伸到包含它的函数结束之后。这样的静态局部变量在程序运行期间只会被初始化一次，即使函数被多次调用。它保留了上一次函数调用结束时的值。
2.静态全局变量：在文件作用域声明的静态变量（即在函数外部，但用static修饰），其作用范围限制在定义它的源文件内，即它是“内部链接”的。这意味着其他源文件中的代码不能直接访问这个变量，有助于减少命名冲突并封装数据。
3.静态成员变量：在类声明中使用static声明的成员变量不属于类的任何特定实例，而是属于整个类。所有类实例共享同一个静态成员变量的副本。静态成员变量必须在类定义之外初始化。静态成员可以通过类名直接访问，无需实例化对象。
4.静态成员函数：静态成员函数也是类的一部分，但不与类的任何特定实例关联。它们不能访问非静态成员变量（因为非静态成员变量是特定于实例的），但可以访问静态成员变量和其他静态成员函数。静态成员函数同样通过类名直接调用，无需实例化对象。
5.静态外部变量声明：在头文件中使用extern和static声明变量，可以让多个源文件共享同一变量的声明，但每个使用该声明的源文件需要有一个独立的定义（没有static），以避免多重定义错误。这种方式主要用于跨文件共享常量或全局数据。

static 关键字示例：

1.静态局部变量

下面代码中有两个函数fun1和fun2,其中fun2中的局部变量b用static关键字修饰成静态局部变量，那么变量b不是在栈区上创建的，而是在静态区上创建的。在静态区上创建的变量，生命周期是全局的，也就是说，静态局部变量的生命周期和程序的生命周期相同
我们分别运行五次fun1()和fun2()，会发现b只会被创建一次，后面执行fun2()函数时由于存储在静态区没有被销毁，所以还是使用的已经存在的b并不会重新创建，理解这一点对单例模式中全局唯一一次类的实例化很关键

void fun1() {int a = 0;a++;printf(" a = %d   | ", a);
}void fun2() {static int b = 0;b++;printf(" b = %d   | ", b);
}void main()
{for (size_t i = 0; i < 10; i++){if (i < 5) fun1();else fun2();}
}

在这里插入图片描述

2.静态全局变量

静态全局变量的例子就不举例了，很多理解，被static修饰的全局变量只能在本cpp文件中访问。

3.静态成员函数，静态成员变量

设计模式中的工厂模式+单例模式很好解释静态成员函数的用法：
下面的代码块有四个类：
我们可以通过工厂类可以实例化圆形和正方形，但每次用工厂类的时候，我们不需要每次都实例化一个工厂，因此工厂类就用到了单例模式，使工厂在整个系统的生命周期唯一，避免多次创建。
在这里插入图片描述
此外阅读时注意工厂类中getInstance()使用static 修饰，

	static ShapeFactory& getInstance() //静态成员函数{static ShapeFactory instance;  //静态成员变量return instance;}

确保唯一性：通过将getInstance方法声明为静态成员函数，可以不依赖于类的任何实例直接访问。这使得无论何时何地调用getInstance，都只会返回同一个ShapeFactory实例，保证了全局唯一性。
全局访问：静态方法可以在不创建类实例的情况下被调用，因此可以在程序的任何地方访问工厂类的单例，便于统一管理和协调对象的创建过程。
因此在调用时还可以写成：

int main()
{auto circle = ShapeFactory::getInstance().createShape("Circle");if (circle){circle->draw();}auto square = ShapeFactory::getInstance().createShape("Circle");if (square){square->draw();}return 0;
}

#include <iostream>
#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;// 抽象形状类
class Shape
{
public:virtual ~Shape() {}virtual void draw() const = 0;
};// 圆形类
class Circle : public Shape
{
public:void draw() const override{std::cout << "Drawing Circle" << std::endl;}
};// 正方形类
class Square : public Shape
{
public:void draw() const override{std::cout << "Drawing Square" << std::endl;}
};// 形状工厂类 - 单例模式
class ShapeFactory
{
public:static ShapeFactory& getInstance(){static ShapeFactory instance;return instance;}Shape* createShape(const std::string& shapeType){if (shapeType == "Circle"){Circle* pCircle = new Circle();return pCircle;}else if (shapeType == "Square"){Square* pSquare = new Square();return pSquare;}else{return NULL;}}private:ShapeFactory() = default;								// 私有构造函数ShapeFactory(const ShapeFactory&) = delete;			// 禁止拷贝构造ShapeFactory& operator=(const ShapeFactory&) = delete; // 禁止赋值操作
};int main()
{ShapeFactory& factory = ShapeFactory::getInstance(); // 获取工厂单例auto circle = factory.createShape("Circle");if (circle){circle->draw();}auto square = factory.createShape("Square");if (square){square->draw();}return 0;
}

我们可以通过一下代码来验证工厂类是否在全局中只创建了一次

// 形状工厂类 - 单例模式
class ShapeFactory
{
public:static ShapeFactory& getInstance(){static ShapeFactory instance;return instance;}Shape* createShape(const std::string& shapeType){if (shapeType == "Circle"){Circle* pCircle = new Circle();return pCircle;}else if (shapeType == "Square"){Square* pSquare = new Square();return pSquare;}else{return NULL;}}private:ShapeFactory();// 私有构造函数~ShapeFactory();ShapeFactory(const ShapeFactory&) = delete;			// 禁止拷贝构造ShapeFactory& operator=(const ShapeFactory&) = delete; // 禁止赋值操作
};ShapeFactory::ShapeFactory() {std::cout << "工厂类构造函数" << std::endl;
}ShapeFactory::~ShapeFactory() {std::cout << "工厂析构函数" << std::endl;
}
int main()
{for (int i = 0; i < 5; i++) {ShapeFactory& factory = ShapeFactory::getInstance(); // 获取工厂单例std::cout << "i = " << i << std::endl;}return 0;
}