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C++深入詳解單例模式與特殊類設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

更新時(shí)間：2022年06月13日 14:27:47 作者：你算哪一個(gè)bug?

這篇文章主要為大家詳細(xì)介紹了C++單例模式和特殊類的設(shè)計(jì)，單例模式這種類型的設(shè)計(jì)模式屬于創(chuàng)建型模式，它提供了一種創(chuàng)建對(duì)象的最佳方式，文中示例代碼介紹的非常詳細(xì)，具有一定的參考價(jià)值，感興趣的小伙伴們可以參考一下，希望能夠給你帶來幫助

單例模式

什么是單例模式

單例模式（Singleton），保證一個(gè)類僅有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)訪問它的全局訪問點(diǎn)。–大話設(shè)計(jì)模式

應(yīng)用場(chǎng)景

保證一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例

如Windows下的任務(wù)管理器，回收站等。
日志管理，計(jì)數(shù)器等。

簡(jiǎn)而言之，你需要唯一實(shí)例時(shí)就可以考慮單例模式。這樣它可以嚴(yán)格地控制客戶怎樣訪問即何時(shí)訪問它，即對(duì)唯一實(shí)例的受控訪問。

優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

減少內(nèi)存開銷，因?yàn)樵谙到y(tǒng)中只有一個(gè)實(shí)例。
避免了頻繁的創(chuàng)建和銷毀對(duì)象，提高了性能
避免對(duì)資源的多重占用，比如單例時(shí)多人只寫一個(gè)日志文件，如果有多個(gè)日志文件可能導(dǎo)致對(duì)相同的日志文件進(jìn)行寫操作
設(shè)置全局訪問點(diǎn)

缺點(diǎn)

職責(zé)過重，與單一職責(zé)存在沖突
不能繼承（構(gòu)造方法私有）

實(shí)現(xiàn)

單例模式有兩種實(shí)現(xiàn)模式，懶漢模式和餓漢模式。

注意單例模式的概念，大概就是唯一實(shí)例且有全局訪問點(diǎn)，我們從這兩點(diǎn)入手。

唯一實(shí)例：構(gòu)造函數(shù)私有+防拷貝

拷貝構(gòu)造是一種構(gòu)造方式，所以需要防止，構(gòu)造函數(shù)私有不讓別人new。

全局訪問點(diǎn)：給一個(gè)公共的接口

餓漢模式

簡(jiǎn)單來說，把東西一開始就做好，需要的時(shí)候直接吃。

#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
	static Singleton& GetInstance()
	{
		return _instance;
	}
	int GetRandom()//由于側(cè)重點(diǎn)不是隨機(jī)數(shù) 所以直接返回一個(gè)30
	{
		return 30;
	}
private:
	Singleton() {}//構(gòu)造函數(shù)私有
	Singleton(Singleton&) = delete;//防拷貝，被=delete修飾表明這個(gè)函數(shù)被刪除，即可以只聲明不實(shí)現(xiàn),換言之禁用了該函數(shù)
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;//防拷貝
	static Singleton _instance;
};
Singleton Singleton::_instance;//類外必須初始化，類內(nèi)只是聲明
int main()
{
	//1.調(diào)用
	cout<<Singleton::GetInstance().GetRandom()<<endl;
	//2.
	Singleton& s = Singleton::GetInstance();
	cout<<s.GetRandom()<<endl;
	return 0;
}

通過防拷貝和構(gòu)造函數(shù)私有化之后下面的幾種辦法都失效了

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

從上面我們可以看出餓漢模式的優(yōu)缺點(diǎn)了，有點(diǎn)顯而易見就是實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單粗暴，缺點(diǎn)很明顯，類加載時(shí)單例對(duì)象就已經(jīng)生成了，即還沒有用就已經(jīng)加載出來了，比如這個(gè)資源很大，又在游戲啟動(dòng)時(shí)加載，那就會(huì)造成游戲啟動(dòng)很慢。且如果有多個(gè)單例對(duì)象啟動(dòng)時(shí)實(shí)例化順序不確定（不同源文件類內(nèi)的單例對(duì)象實(shí)例化順序是不確定的，懶漢模式解決了這個(gè)問題，因?yàn)閼袧h模式的實(shí)例化在函數(shù)內(nèi)部，可以通過調(diào)用函數(shù)的順序來解決實(shí)例化的順序問題）。

類加載時(shí)靜態(tài)初始化解決了線程安全問題。

懶漢模式

什么時(shí)候需要就什么時(shí)候做飯，然后吃。

class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		if (_instance == nullptr)
		{
			_mtx.lock();//double lock保證線程安全
			if (_instance == nullptr)//必須再次檢查  不然可能另一個(gè)線程那已經(jīng)new完了，這邊又new違背了單例，且可能覆蓋數(shù)據(jù)。
			{
				_instance = new Singleton();
			}
			_mtx.unlock();
		}
		return _instance;
	}
	int GetRandom()
	{
		return 30;
	}
	class Clear//資源回收的內(nèi)部類，必須是公有的，不然外部聲明報(bào)錯(cuò)
	{
	public:
		~Clear()
		{
			cout << "釋放資源" << endl;
			delete _instance;
		}
	};
private:
	static Clear _cle;
	Singleton() {}
	Singleton(Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
	static Singleton* _instance;
	static mutex _mtx;//線程安全
};
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
	//為什么函數(shù)返回值是右值  因?yàn)榉祷刂凳墙柚R時(shí)變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;
}

懶漢模式的優(yōu)缺點(diǎn)也很明顯，優(yōu)點(diǎn)是什么時(shí)候第一次用就什么時(shí)候?qū)嵗?，此外可以通過調(diào)用函數(shù)解決多個(gè)單例對(duì)象實(shí)例化的順序問題，缺點(diǎn)就是寫起來復(fù)雜，要考慮線程安全和內(nèi)存泄露方面的問題。懶漢采用的是指針也更好回收資源（餓漢采用的是對(duì)象）

懶漢可能因?yàn)槎嗑€程丟數(shù)據(jù)，線程加鎖保證在多線程環(huán)境下一定只有一個(gè)線程去new對(duì)象，只創(chuàng)建出一個(gè)單例對(duì)象，加鎖可能導(dǎo)致頻繁切換上下文，double lock解決。

特殊類設(shè)計(jì)

我們一般會(huì)通過構(gòu)造函數(shù)，拷貝構(gòu)造和賦值重載創(chuàng)建對(duì)象，現(xiàn)在把這幾種方法全禁用了，然后自己再寫一個(gè)外部可調(diào)用的接口來自定義類的創(chuàng)建方式。

當(dāng)然也有別的辦法，這種經(jīng)?？梢宰鳛橐环N通解思路。

下面的禁用采用C++11的delete關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)，作用是禁止編譯器生成默認(rèn)的函數(shù)版本，即有聲明但無實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)一個(gè)類只能在堆上創(chuàng)建對(duì)象

簡(jiǎn)單來說只能通過new來創(chuàng)建對(duì)象。

方法一

構(gòu)造方法禁用，然后給一個(gè)接口讓外部調(diào)用。

構(gòu)造方法的禁用=構(gòu)造函數(shù)私有+禁用拷貝構(gòu)造+禁用賦值重載

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

析構(gòu)函數(shù)私有

對(duì)象建立在棧上，是由編譯器分配空間的，編譯器管理對(duì)象的生命周期，對(duì)象使用完后編譯器會(huì)檢查這個(gè)對(duì)象所有的非靜態(tài)函數(shù)，包括析構(gòu)函數(shù)，當(dāng)編譯器發(fā)現(xiàn)析構(gòu)函數(shù)不能訪問后就不能回收這塊空間，所以編譯器無法為其分配空間，編譯器檢查到這種情況也會(huì)報(bào)錯(cuò)。

析構(gòu)函數(shù)私有的方法不建議使用，因?yàn)樵陬愅鉄o法使用delete釋放空間，容易造成內(nèi)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;
}

只能在棧上創(chuàng)建對(duì)象

方法一

不能使用new --> 重載operator new即可。

這種存在一個(gè)缺陷，就是仍然可以在靜態(tài)區(qū)創(chuàng)建對(duì)象

方法二

將構(gòu)造函數(shù)設(shè)為私有再自定義一個(gè)接口

這里不用禁用構(gòu)造函數(shù)，拷貝構(gòu)造，賦值重載，因?yàn)閷?duì)于下面的場(chǎng)景來說，匿名對(duì)象的拷貝構(gòu)造更符合場(chǎng)景，編譯器會(huì)選拷貝構(gòu)造來進(jìn)行構(gòu)造，所以如果我們禁用了拷貝構(gòu)造會(huì)報(bào)錯(cuò)，因?yàn)槲覀兊膁elete關(guān)鍵字是有聲明無實(shí)現(xiàn)，并不是真的把這個(gè)函數(shù)連帶聲明刪除了。所以StackOnly()一看有我們自己寫的拷貝構(gòu)造的聲明就會(huì)去匹配這個(gè)拷貝構(gòu)造，我們自己寫的拷貝構(gòu)造又沒有實(shí)現(xiàn)拷貝功能就會(huì)報(bào)錯(cuò)。

理解這個(gè)和編譯鏈接知識(shí)有關(guān)，編譯器看到聲明就去匹配了，而不是一定要看到函數(shù)實(shí)現(xiàn)才匹配，鏈接時(shí)候才會(huì)去找實(shí)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有聲明無實(shí)現(xiàn)時(shí)就很容易導(dǎo)致鏈接錯(cuò)誤。