特殊类的设计与单例模式

1、特殊类的设计

        如何设计出一个创建出的对象只能在堆上的类？将类的默认构造函数设置为私有，再将类的拷贝构造函数设置为delete，设置静态函数GetObj，内部调用new HeapOnly，这样就只能在堆上开辟空间。

class HeapOnly
{
public:static HeapOnly* GetObj(){return new HeapOnly;}
private:HeapOnly(){}
public:HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
};

        下面照猫画虎设计一个只能在栈上创建对象的类。创建对象也是必须通过static成员函数来完成，内部调用默认构造函数。

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

        还有一种思路，直接禁止了类的new函数，这样不能在堆上开辟空间了，但是这种做法是有缺陷的，他不通过静态函数来构造对象，无法阻止在数据段（静态区）创建对象，比如"static StackOnly p;"就在静态区创建了一个对象，不满足只能在栈创建对象的要求。

class StackOnly
{
public:void* operator new(size_t size) = delete;
};

2、单例模式

        设计模式是一套被人反复使用、多数人知晓的、经过分类的代码设计经验的总结。使用设计模式的目的是为了提高代码的可重用性，让代码更容易被他人理解，保证代码的可靠性。设计模式使得代码编写真正地工程化。

        之前已经学过的一些设计模式有（1）迭代器模式，基于面向对象三大特性之一的封装设计出来的，用一个迭代器封装以后，可以在不暴露容器的结构的情况下，以一种统一的方式访问修改容器中的数据。（2）适配器模式，体现的是一种复用的思想。

        这里介绍一下单例模式。设计一个类，在全局中（进程中）只能实例化出一个对象，将这种设计模式称为单例模式。主要应用场景是多线程共享的内存池或者用于处理任务的线程池。

        下面是一个简化的单例模式示例，为了支持单例的基本属性，要将构造函数设置为私有，将拷贝构造函数设置为delete，要通过静态成员函数GetInstance()来获取对象，如果不设置为静态成员函数，由于外部无法构造，而普通成员函数需要依靠对象来调用，因此无法获取对象。

class Singleton
{
public:static Singleton* GetInstance(){if (_pinst == nullptr){_pinst = new Singleton;}return _pinst;}Singleton(const Singleton& s) = delete;
private:Singleton(){}static Singleton* _pinst;
};
Singleton* Singleton::_pinst = nullptr;

        上面这段代码依旧有缺陷，就是他不能有效应对线程安全问题，在上面这个类的单例还没有构造出来的时候，这时候_pinst为nullptr，假如有两个线程同时进入了GetInstance（）的if判断语句里面，那么会构造出两个对象，因此需要用互斥量保护线程安全。下面是一个双检查写法，在解决线程安全问题的同时有效保证代码效率，只有在_pinst为空时会加锁解锁。还可以使用智能指针来管理_mtx，如果在加锁解锁之间出现异常，可以避免死锁。

class Singleton
{
public:static Singleton* GetInstance(){if (_pinst == nullptr){_mtx.lock();if (_pinst == nullptr){_pinst = new Singleton;}_mtx.unlock();}return _pinst;}Singleton(const Singleton& s) = delete;
private:Singleton(){}static Singleton* _pinst;static mutex _mtx;
};Singleton* Singleton::_pinst = nullptr;
mutex Singleton::_mtx;

        单例模式又分为懒汉模式和饿汉模式，懒汉模式指的是在获取对象的时候再创建对象，上面的写法就是典型的懒汉模式。饿汉模式指的是在一开始（main函数之前）就创建对象，由于对象是在main函数之前创建的，创建时只有主线程，所以不存在线程安全问题，下面是一种饿汉模式的写法。

class Singleton
{
public:static Singleton* GetInstance(){return &_inst;}
private:static Singleton _inst;
};
Singleton Singleton::_inst;

        总结一下饿汉与懒汉的区别（1）懒汉模式需要考虑线程安全和资源释放的问题，实现相对更复杂，恶寒模式不存在以上问题，实现简单。（2）懒汉是一种懒加载毛hi，在需要时再初始化创建对象，不会影响程序的启动。饿汉模式则相反，在程序启动阶段就创建初始化实例对象，会导致程序启动慢，影响体验。（3）如果有多个单例类，假设它们之间有依赖关系，要求A单例先创建初始化，B单例再创建初始化，此处就不能使用饿汉，因为无法保证创建对象的顺序（静态对象是无法保证创建顺序的），这里要用懒汉模式，便于程序员手动控制。