C++ Primer 学习笔记_24_类与数据抽象(10)--static 与单例模式、auto_ptr与单例模式、const成员函数、const 对象、mutable修饰符
前言
【例】写出面向对象的五个基本原则？
解答：单一职责原则，开放封闭原则，依赖倒置原则，接口隔离原则和里氏替换原则
里氏替换原则：子类型必须能够替换他们的基类型。
设计模式分为三种类型：创建型模式、结构型模式和行为型模式
一、static 与单例模式
1、单例模式
单例模式的意图：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。
（1）第一种形式
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Singleton
{
private:
static Singleton s;
int i;
Singleton(int x): i(x) {cout << "Singleton" << endl;}
Singleton & operator = (Singleton&); //不允许赋值
Singleton(const Singleton&); //不允许拷贝
public:
static Singleton& instance() {return s;}
int getValue() {return i;}
void setValue(int x) {i = x;}
};
Singleton Singleton::s(47); //定义静态成员s
int main()
{
Singleton& s = Singleton::instance();
cout << s.getValue() << endl;
Singleton& s2 = Singleton::instance();
s2.setValue(9);
cout << s.getValue() << endl;
return 0;
}
运行结果：
Singleton
47
9
上述实现通过返回一个引用实现单列模式。如果返回的是一个指针而不是引用，用户可能会不小心删除此指针，因此上述实现比返回指针更安全。
（2）第二种形式
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Singleton
{
private:
int i;
Singleton(int x): i(x) {cout << "Singleton" << endl;}
void operator=(Singleton&);
Singleton(const Singleton&); //不允许拷贝
public:
static Singleton& instance()
{
static Singleton s(47);
return s;
}
int getValue() {return i;}
void setValue(int x) {i = x;}
};
int main()
{
Singleton& s = Singleton::instance();
cout << s.getValue() << endl;
Singleton& s2 = Singleton::instance();
s2.setValue(9);
cout << s.getValue() << endl;
return 0;
}
运行结果：
Singleton
47
9
上述方法时通过成员函数内部的静态对象的创建实现单例模式。
注意上述两种方法并未考虑线程安全的问题，如需应用在多线程环境下，需要加锁。
【例子：禁止拷贝，赋值，默认构造函数创建对象操作】
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
static Singleton *GetInstance()
{
if (instance_ == NULL)
{
instance_ = new Singleton;
}
return instance_;
}
~Singleton()
{
cout << "~Singleton ..." << endl;
}
private:
Singleton(const Singleton &other); //将拷贝函数放在private，禁止拷贝
Singleton &operator=(const Singleton &other); //禁止赋值
Singleton() //禁止创建对象
{
cout << "Singleton ..." << endl;
}
static Singleton *instance_;
};
Singleton *Singleton::instance_;
int main(void)
{
//Singleton s1; // Error,调用默认构造函数
Singleton *s1 = Singleton::GetInstance();
Singleton *s2 = Singleton::GetInstance();
//Singleton s3(*s1); // Error,调用拷贝构造函数
return 0;
}
运行结果：
Singleton ...
上述程序虽然调用了两个GetInstance函数，但只调用一次构造函数，即创建一个对象。将赋值运算符和拷贝构造函数声明为私有，禁止拷贝。但程序存在一个问题就是对象生存期到时不会被析构。
2、为了解决对象不会被析构的问题，可以使用一个静态的嵌套类对象来解决：
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
static Singleton *GetInstance()
{
if (instance_ == NULL)
{
instance_ = new Singleton;
}
return instance_;
}
~Singleton()
{
cout << "~Singleton ..." << endl;
}
class Garbo
{
public:
~Garbo()
{
if (Singleton::instance_ != NULL)
{
delete instance_;
}
}
};
private:
Singleton(const Singleton &other); //将拷贝函数放在private，禁止拷贝
Singleton &operator=(const Singleton &other); //禁止赋值
Singleton() //禁止创建对象
{
cout << "Singleton ..." << endl;
}
static Singleton* instance_;
static Garbo garbo_; // 利用对象的确定性析构
};
Singleton::Garbo Singleton::garbo_;
Singleton* Singleton::instance_;
int main(void)
{
//Singleton s1; // Error,调用默认构造函数
Singleton *s1 = Singleton::GetInstance();
Singleton *s2 = Singleton::GetInstance();
//Singleton s3(*s1); // Error,调用拷贝构造函数
return 0;
}
运行结果：
Singleton ...
~Singleton ...
解释：利用静态嵌套对象的确定性析构会调用Garbo类的析构函数，在析构函数内delete 单例类的指针。
3、上面办法比较繁琐，也可以返回局部静态对象的引用来解决：
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
static Singleton& GetInstance()
{
static Singleton instance; // 局部静态对象
return instance;
}
~Singleton()
{
cout << "~Singleton ..." << endl;
}
private:
Singleton(const Singleton &other); //将拷贝函数放在private，禁止拷贝
Singleton &operator=(const Singleton &other); //禁止赋值
Singleton() //禁止创建对象
{
cout << "Singleton ..." << endl;
}
};
int main(void)
{
Singleton& s1 = Singleton::GetInstance();
Singleton& s2 = Singleton::GetInstance();
return 0;
}
运行结果：
Singleton ...
~Singleton ...
解释：局部静态对象只会初始化一次，所以调用多次GetInstance函数得到的是同一个对象。由于函数内使用了静态对象，故不是线程安全的。
4、实际上也可以使用auto_ptr 智能指针来解决，程序如下，更详细的对auto_ptr将在后续讨论。
#include <iostream>
#include<memory>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
static Singleton *GetInstance()
{
if (instance_.get() == NULL)
{
instance_ = auto_ptr<Singleton>(new Singleton);
}
return instance_.get();
}
~Singleton()
{
cout << "~Singleton ..." << endl;
}
private:
Singleton(const Singleton &other);
Singleton &operator=(const Singleton &other);
Singleton()
{
cout << "Singleton ..." << endl;
}
static auto_ptr<Singleton> instance_;
};
auto_ptr<Singleton> Singleton::instance_;
int main(void)
{
Singleton *s1 = Singleton::GetInstance();
Singleton *s2 = Singleton::GetInstance();
return 0;
}
运行结果：
Singleton ...
~Singleton ...
5、饿汉式单例模式（在类加载时就完成了初始化，所以类加载较慢，但获取对象的速度快）
实际上，上述所有的单例模式例子都不是线程安全的，设想如果两个线程同时运行到语句if (instance
== null)，而此时该实例的确没有创建，那么两个线程都会创建一个实例。如果不希望加锁实现线程安全，可以使用饿汉模式（即在main函数之前先生成一个实例）：
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
{
public:
static const Singleton* GetInstance()
{
return instance_;
}
~Singleton()
{
cout << "~Singleton ..." << endl;
}
class Garbo
{
public:
~Garbo()
{
if (Singleton::instance_ != NULL)
{
delete instance_;
}
}
};
private:
Singleton(const Singleton &other); //将拷贝函数放在private，禁止拷贝
Singleton &operator=(const Singleton &other); //禁止赋值
Singleton() //禁止创建对象
{
cout << "Singleton ..." << endl;
}
static const Singleton* instance_;
static Garbo garbo_; // 利用对象的确定性析构
};
const Singleton* Singleton::instance_ = new Singleton();
Singleton::Garbo Singleton::garbo_;
int main(void)
{
//Singleton s1; // Error,调用默认构造函数
const Singleton *s1 = Singleton::GetInstance();
const Singleton *s2 = Singleton::GetInstance();
//Singleton s3(*s1); // Error,调用拷贝构造函数
return 0;
}
运行结果：
Singleton ...
~Singleton ...
6、或者通过加锁方式实现，详细将在后续讨论。
二、const成员函数、const 对象、mutable修饰符
1、const 成员函数
const成员函数不会修改对象的状态
const成员函数只能访问数据成员的值，而不能修改它
2、const 对象
如果把一个对象指定为const，就是告诉编译器不要修改它
const对象的定义：
const 类名 对象名(参数表);
const对象不能调用非const成员函数
3、mutable修饰
用mutable修饰的数据成员即使在const对象或在const成员函数中都可以被修改。
#include <iostream>
using namespace std;
class Test
{
public:
Test(int x) : x_(x), outputTimes_(0) { }
int GetX() const
{
cout << "const GetX ..." << endl;
//x_ = 100; //Error,尝试修改数据成员
return x_;
}
int GetX()
{
cout << "GetX ..." << endl;
return x_;
}
void Output() const
{
cout << "x=" << x_ << endl;
outputTimes_++;
}
int GetOutputTimes() const
{
return outputTimes_;
}
private:
int x_;
mutable int outputTimes_; //mutable修饰
};
int main(void)
{
const Test t(10);
t.GetX();
Test t2(20);
t2.GetX();
t.Output();
t.Output();
cout << t.GetOutputTimes() << endl;
return 0;
}
运行结果：
const GetX ...
GetX ...
x=10
x=10
2
参考：
C++ primer 第四版
Effective C++ 3rd
http://blog.csdn.net/jnu_simba/article/details/9282235
http://blog.csdn.net/zjf280441589/article/details/24704603
C++编程规范
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