C++特殊类设计

一、设计模式的概念

1、设计模式(Design Pattern)是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。

2、使用设计模式是为了可重用代码、让代码更容易被他人理解、提高代码的可靠性。

3、设计模式一般有如下几个基本要素：模式名称、问题、目的、解决方案、效果、实例代码和相关设计模式，

4、其中的关键元素包括以下四个方面：模式名称 ，问题 ，解决方案 ，效果 。

5、设计模式分为三大类：创建型模式、结构型模式、行为型模式

        <1>创建型模式(5种)：工厂方法、抽象工厂方法、单例模式、建造者模式、原型模式
        <2>结构型模式(8种)：适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式
        <3>行为型模式(13种)：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式

二、特殊类设计：只能创建一个对象的类(单例模式)

1. 在我们平时写代码中，单例模式是使用的最多的一种设计模式

2. 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

3. 单例模式分为：懒汉单例模式，饿汉单例模式，登记时单例模式

2.1 饿汉单例模式

// 饿汉模式
// 优点：简单
// 缺点：可能会导致进程启动慢，且如果有多个单例类对象实例启动顺序不确定。
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++11
	Singleton(Singleton const&) = delete;
	Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;
 
	static Singleton* m_instance;
};
// 在程序入口之前就完成单例对象的初始化
Singleton* Singleton::m_instance = new Singleton; 
 
int main()
{
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	return 0;
}

// 懒汉
// 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
#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) 
        {
			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;
}
 
// 多线程环境下才能演示上面GetInstance()加锁和不加锁的区别
int main()
{
	thread t1(func, 10);
	thread t2(func, 10);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
}

三、特殊类设计：不能被拷贝的类

1. 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

• 对于C++98而言：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

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

原因：

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

对于C++11而言： 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;
	//...
};

四、特殊类设计：只能在堆上创建对象

基本思路：

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

//只能在堆上创建对象的类
class HeapOnly
{
public:
	static HeapOnly* CreateObj()
	{
		return new HeapOnly;
	}
 
	HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
 
private:
	HeapOnly()
	{}
	//HeapOnly(const HeapOnly&);
};
 
//HeapOnly::HeapOnly(const HeapOnly&)
//{}
 
int main()
{
	//HeapOnly ho;
	//HeapOnly* p = new HeapOnly;
	HeapOnly* p = HeapOnly::CreateObj();
	HeapOnly copy(*p);
	return 0;
}

五、特殊类设计：只能在栈上创建对象的类

方法一：和只能在堆上创建对象的类一样

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

还是和上面相同的做法，但是这里就不能禁用拷贝构造了，因为在返回的时候肯定是返回一个局部对象，所以 CreateObject 只能传值返回，但是只要是传值返回就肯定是要拷贝构造，那么如果把拷贝构造禁用了，那么返回的时候就会有问题

方法二：屏蔽new

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，同时也要防止定位new

class StackOnly
{
public:
	StackOnly() {}
private:
	void* operator new(size_t size);
	void operator delete(void* p);
};
 
int main()
{
	StackOnly so;
	StackOnly* p = new StackOnly;
 
	static StackOnly sso;
	return 0;
}

因为 new 的时候是由两部分构成，第一部分是申请空间调用 operator new ，默认是调用全局的 operator new，再调它的构造函数。但是一个类可以重载专属的 operator new，所以这时肯定就会调用专属的 operator new ，所以我们将 operator new 设为私有，那么这时就调用不动了。

• 当然也可以用 C++11 的方法去实现

• 但是这个方法有缺陷，虽然可以在栈上创建对象，不能在堆上创建对象了：

• 但是可以在静态区去创建对象，所以这个方法是有一些缺陷的

六、特殊类设计：不能被继承的类

对于C++98而言：

1. 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
2. 无法继承的原因是父类私有成员在子类不可见

class NonInherit
{
public:
	static NonInherit GetInstance()
	{
		return NonInherit();
	}
private:
	NonInherit()
	{}
};

• 也就是说子类的构造函数想要初始化父类的那一部分，不能自己去对那一部分去初始化，而是要调用父类的构造函数去初始化，所以我们只要将父类的构造函数设为私有的，那么子类就看不到父类的构造函数，也就无法对其初始化，也就不能够被继承
• 但是这里其实还是不够彻底的：

• 我们可以看到，其实是可以继承的，但是这里真正限制的是：

• 也就是子类继承后不能实例化出对象来，但是其实不能实例化出对象来，这个类就费了一半了，因为我们在使用类的时候基本都是实例化出对象，然后通过对象去进行一番操作
• 但这也是不彻底的，所以才有了 C++11 的一个关键字 final