【C++】特殊类设计及单例模式

1.设计一个只能在堆上创建对象的类

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。代码示例如下：

class HeapOnly
{
public:
	static HeapOnly* CreateObject()
	{	
		return new HeapOnly;
	}
private:
	HeapOnly(){}
	//c++98写法
	//1.只声明，不实现。实现可能会很麻烦，而本身不需要
	//2.声明成私有
	HeapOnly(const HeapOnly&);
	//or C++11写法
	HeapOnly(const HeapOnly&)=delete;
};

2.设计一个只能在栈上创建对象的类

1. 同上将构造函数私有化，然后设计静态方法创建对象返回。
2. 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。
   注意：也要防止定位new

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

3.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。

3.1C++98方式

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&);
};

解释：

1. 设置成私有：如果只声明没有设置为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。

3.2 C++11方式

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;
	//....
};

4.请设计一个类，不能被继承

4.1 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。如下代码所示：

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

4.2 C++11方式

final关键字，final修饰类，表示该类不能被继承。

class A final
{
	//....
	//此时该类不可被继承
};

5.单例模式：只能创建一个对象的类

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。 单例模式有两种实现模式：饿汉模式和懒汉模式

5.1饿汉模式

优点： 简单，提前准备好。在mian函数之前就创建好了单例对象，程序随时可以访问这个单例对象。
缺点：

1. 无法控制单例创建初始化顺序。假设两个单例类A和B，要求A单例先创建，B单例后创建，B的创建依赖A。就会存在局限性。
2. 如果单例对象初始化很费时间，会导致程序启动慢，就像卡死一样。

代码示例：
C++98写法

class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		return &m_instance;
	}
private:
	//构造函数私有
	Singleton(){};
	//私有化，防拷贝
	Singleton(Singleton const&);
	Singleton& operator=(Singleton const&);
	
	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;

C++11写法

class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		return &m_instance;
	}
private:
	//构造函数私有
	Singleton(){};
	//使用delete防拷贝
	Singleton(Singleton const&)=delete;
	Singleton& operator=(Singleton const&)=delete;
	static Singleton m_instance;
};

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。

5.2 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： 事先没有准备，第一次访问时，才创建单例对象。对应解决饿汉的两个缺点。
缺点： 设计相对负责，还要控制线程安全问题。
代码实例：

#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;
}

6.深入理解懒汉模式和饿汉模式

其实就是看定义的事静态成员对象变量还是静态成员对象指针变量，因为如果定义了静态成员对象变量，程序在运行之初已经分配了空间，就要调用构造函数了，而你在调用getinstance的时候，不会再调用构造函数了，因为之前已经调用过了，你就是用的现成的，就是所谓的饿汉模式，上来先把吃的准备好了，因为饿怕了，怕后期准备会挨饿。

而定义了静态成员对象指针变量，程序运行之初也会分配空间，但是那个是指针的空间，而不是对象的空间，所以不会调用对象的构造函数，而只有调用getinstance进行new操作的时候，才会对其调用构造函数，就是现上轿现扎耳朵眼，比较懒惰，所以叫懒汉模式。