C++特殊类设计单例模式...

文章目录

    • 请设计一个类,不能被拷贝
    • 请设计一个类,只能在堆上创建对象
    • 请设计一个类,只能在栈上创建对象
    • 请设计一个类,不能被继承
    • 请设计一个类,只能创建一个对象(单例模式)
      • 单例模式:
        • 饿汉模式:
        • 懒汉模式:
      • 懒汉模式的线程安全问题
        • 工厂模式
        • 观察者模式

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:

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

原因:

  1. 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
  2. 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;
};

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
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&);// C++11    HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
};

请设计一个类,只能在栈上创建对象

  • 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。
class StackOnly
{
public:static StackOnly CreateObj(){return StackOnly();}// 禁掉operator new可以把下面用new 调用拷贝构造申请对象给禁掉// StackOnly obj = StackOnly::CreateObj();// StackOnly* ptr3 = new StackOnly(obj);void* operator new(size_t size) = delete;void operator delete(void* p) = delete;
private:StackOnly():_a(0){}
private:int _a;
};

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 NonInherit final
{
public:// ...
};

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: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,提前(main函数启动时)创建好实例对象
    • 优点:实现简单
    • 缺点:1、可能会导致进程启动慢、2、如果两个单例有启动先后顺序,那么饿汉无法控制
class A
{
public:static A * GetInstance(){return &_inst;}void Add(const string & key, const string & value){_dict[key] = value;}void Print(){for (auto& kv : _dict){cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;}cout << endl;}
private:// 构造函数私有A(){}A(const A & aa) = delete;A& operator=(const A& aa) = delete;map<string, string> _dict;int _n = 0;static A _inst;
};// 在程序入口之前就完成单例对象的初始化
A A::_inst;int main()
{// 无法创建//A aa1;//A aa2;// 可以进行调用A::GetInstance()->Add("sort", "排序");A::GetInstance()->Add("left", "左边");A::GetInstance()->Add("right", "右边");A::GetInstance()->Print();// 拷贝构造禁止使用// A copy(*A::GetInstance());// copy.Print();// A::GetInstance()->Add("left", "剩余");// copy.Print();// A::GetInstance()->Print();// 赋值也无法使用// *A::GetInstance() = *A::GetInstance();return 0;
}
  • 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。
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。

    • 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
class B
{
public:static B* GetInstance(){if (_inst == nullptr){_inst = new B;}return _inst;}void Add(const string& key, const string& value){_dict[key] = value;}void Print(){for (auto& kv : _dict){cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;}cout << endl;}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;// 期望main函数结束后自动调用class gc{public:~gc(){DelInstance();}};static gc _gc;
};B* B::_inst = nullptr;// 期望main函数结束后自动调用
B::gc B::_gc;int main()
{B::GetInstance()->Add("sort", "排序");B::GetInstance()->Add("left", "左边");B::GetInstance()->Add("right", "右边");B::GetInstance()->Print();B::GetInstance()->Add("right", "xxx");B::GetInstance()->Print();// 显示的调用释放B::DelInstance();cout << "xxxxxxxxxxx" << endl;return 0;
}

懒汉模式的线程安全问题

  • 懒汉模式的线程安全问题已经在 Linux多线程【线程互斥】 中讲解:
    • 大概实现如下:

在这里插入图片描述

  • 局部的静态对象,是在第一次调用时初始化
  • C++11之前,他不是,也就说, C++11之前的编译器,那么这个代码不安全的
  • C++11之后可以保证局部静态对象的初始化是线程安全的,只初始化一次
class Singleton
{
public:// 提供获取单例对象的接口函数static Singleton& GetInstance(){// 局部的静态对象,是在第一次调用时初始化// C++11之前,他不是,也就说, C++11之前的编译器,那么这个代码不安全的// C++11之后可以保证局部静态对象的初始化是线程安全的,只初始化一次static Singleton inst;return inst;}private:// 构造函数私有Singleton(){cout << "Singleton()" << endl;}// 防拷贝Singleton(const Singleton& s) = delete;Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete;
};int main()
{Singleton::GetInstance();return 0;
}
工厂模式
  • 用于创建对象的一个接口,让子类决定实例化哪个类
class Product {
public:virtual void show() = 0;
};class ConcreteProduct : public Product {
public:void show() override {std::cout << "ConcreteProduct Show" << std::endl;}
};class Factory {
public:virtual Product* createProduct() = 0;
};class ConcreteFactory : public Factory {
public:Product* createProduct() override {return new ConcreteProduct();}
};
观察者模式
  • 定义了一种一对多的依赖关系,让多个观察者对象同时监听某一主题对象
#include <iostream>
#include <list>
#include <string>class Observer {
public:virtual void update(std::string message) = 0;
};class ConcreteObserver : public Observer {
public:void update(std::string message) override {std::cout << "Received message: " << message << std::endl;}
};class Subject {
private:std::list<Observer*> observers;std::string message;public:void attach(Observer* observer) {observers.push_back(observer);}void notify() {for (auto observer : observers) {observer->update(message);}}void setMessage(std::string msg) {message = msg;}
};int main() {Subject subject;Observer* observer = new ConcreteObserver();subject.attach(observer);subject.setMessage("Hello, World!");subject.notify();delete observer;return 0;
}

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