C++深入详解单例模式与特殊类设计的实现

C++深入详解单例模式与特殊类设计的实现

一、什么是单例模式

• 单例模式（Singleton）是一种常用的软件设计模式，用于保证一个类仅有一个实例，并提供该实例的全局访问点。
• 单例模式是一种创建型模式，与工厂方法模式、抽象工厂模式、建造者模式和原型模式等创建型模式一样，它处理对象的创建机制，但是它的特殊之处在于它确保类只有一个实例，并且提供一个访问该实例的全局访问点。
• 单例模式有三个部分组成：一个私有的构造函数；一个静态的、指向单例的指针实例；一个公有的获取单例的接口，返回值是指向单例的指针。

二、单例模式的实现

下面是单例模式的一个示例代码：

#include<iostream>
using namespace std;

class Singleton{
private:
    Singleton(){}
    Singleton(const Singleton&);
    Singleton& operator=(const Singleton&);
    static Singleton* singleton_;
public:
    ~Singleton(){}
    static Singleton* getInstance(){
        if(singleton_ == NULL)
            singleton_ = new Singleton();
        return singleton_;
    }
};

Singleton* Singleton::singleton_= NULL;

• 在这个示例中，构造函数是私有的，这意味着它不能被外部调用。
• 私有拷贝构造和赋值运算符保证单例实例不能被复制。
• 单例实例是存储在私有静态指针singleton_中的，它是唯一的，因为它是静态的，并且只会在第一次使用时初始化。
• 公有的静态函数getInstance()被用于获取实例，如果实例不存在，它将创建一个并返回，否则直接返回现有的实例。

三、特殊类设计实现

• 特殊类设计可以让你以不同于常见的方式创建和使用类，这些设计可以通过标准的C++技术和库来实现，或者使用一个特定的编译器扩展。
• 其中一些特殊类设计有：模板类、迭代器、代理、仿函数等等。
• 这些特殊类设计可以极大提高程序员的工作效率和程序性能。下面我们来看一下两个特殊类设计的示例。

1. 嵌套类

嵌套类是在另一个类的内部定义的类，它可以访问其外围类的私有成员和保护成员。嵌套类可以有效地管理状态，并提供更小的接口。

以下是一个嵌套类的示例代码：

#include<iostream>
using namespace std;

class OuterClass{
private:
    int num_;
    class InnerClass{
    public:
        void display(OuterClass &outer){
            cout<<"The value of num is: "<<outer.num_<<endl;
        }
    };
public:
    OuterClass(int num):num_(num){}
    void display(){InnerClass inner; inner.display(*this);}
};

int main(){
    OuterClass outer(10);
    outer.display();
    return 0;
}

• 在上述代码中，OuterClass是外围类，在定义内部类InnerClass时使用了它的私有成员num_。
• InnerClass是内部类，它使用OuterClass类型的对象作为参数，并访问了num_的值。
• 外围类的display()函数使用局部对象inner调用内部类的display()函数。

2. 仿函数

仿函数是一种类，它像函数一样被调用，并且可以存储状态和数据。仿函数的优点是内联操作，使得它们比标准函数更快，并且可以存储状态和数据，以便多次调用。

以下是一个仿函数的示例代码：

#include<iostream>
#include<vector>
#include<algorithm>
using namespace std;

class MaxValue{
public:
    int operator()(int a, int b){
        return (a>b)?a:b;
    }
};

int main(){
    vector<int>vec;
    vec.push_back(10);
    vec.push_back(20);
    vec.push_back(30);
    vec.push_back(5);
    MaxValue MV;
    int max = MV(vec[0], vec[1]);
    for(vector<int>::iterator i = vec.begin(); i != vec.end(); i++){
        max = MV(max, *i);
    }
    cout<<"Max value in vector is "<<max<<endl;
    return 0;
}

• 在上述代码中，MaxValue是一个仿函数，它重载了括号运算符()，使得它像一个函数一样调用。
• 在main函数中，MaxValue对象将多次用于比较整数值，每次比较时MaxValue对象保留了先前的比较结果。
• 按照方法执行，返回比较中的最大值。

四、总结

本文详细讲解了C++中的单例模式和两个特殊类设计的实现，其中单例模式是保证一个类仅有一个实例，并提供该实例的全局访问点，而嵌套类和仿函数是C++中的一些特殊类设计。学习这些特殊类设计，可以极大提高程序员的工作效率和程序性能。