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C++解析(27)：数组、智能指针与单例类模板

0.目录

4.小结

1.数组类模板

模板参数可以是数值型参数（非类型参数）：

数值型模板参数的限制：

变量不能作为模板参数
浮点数不能作为模板参数
类对象不能作为模板参数
。。。

本质：
模板参数是在编译阶段被处理的单元，因此，在编译阶段必须准确无误的唯一确定。

1.1 类模板高效率求和

用你觉得最高效的方法求 1+2+3+...+N 的值！
示例——使用模板、递归和特化求和：

#include <iostream>

using namespace std;

template
< int N >
class Sum
{
public:
    static const int VALUE = Sum<N-1>::VALUE + N;
};

template
< >
class Sum < 1 >
{
public:
    static const int VALUE = 1;
};

int main()
{
    cout << "1 + 2 + 3 + ... + 10 = " << Sum<10>::VALUE << endl;
    cout << "1 + 2 + 3 + ... + 100 = " << Sum<100>::VALUE << endl;
    
    return 0;
}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
1 + 2 + 3 + ... + 10 = 55
1 + 2 + 3 + ... + 100 = 5050

从效率的角度来说，这里的求和是很高效的。既没有加减法，也没有乘除法，也没有函数调用，也没有循环。在输出的时候VALUE是一个常量，常量的值在编译的时候就已经确定了。因此，输出的时候就仅仅是访问一个常量的值。
相加求和是在编译器编译程序的时候完成的，编译完程序之后要求的和就已经确定了，所以在运行的时候就可以直接访问到这个和的值了，而不需要做任何其他运算，因此效率是很高的。

1.2 数组类模板

示例——实现数组类模板：

// Array.h
#ifndef _ARRAY_H_
#define _ARRAY_H_

template
< typename T, int N >
class Array
{
    T m_array[N];
public:
    int length();
    bool set(int index, T value);
    bool get(int index, T& value);
    T& operator[] (int index);
    T operator[] (int index) const;
    virtual ~Array();
};

template
< typename T, int N >
int Array<T, N>::length()
{
    return N;
}

template
< typename T, int N >
bool Array<T, N>::set(int index, T value)
{
    bool ret = (0 <= index) && (index < N);
    
    if( ret )
    {
        m_array[index] = value;
    }
    
    return ret;
}

template
< typename T, int N >
bool Array<T, N>::get(int index, T& value)
{
    bool ret = (0 <= index) && (index < N);
    
    if( ret )
    {
        value = m_array[index];
    }
    
    return ret;
}

template
< typename T, int N >
T& Array<T, N>::operator[] (int index)
{
    return m_array[index];
}

template
< typename T, int N >
T Array<T, N>::operator[] (int index) const
{
    return m_array[index];
}

template
< typename T, int N >
Array<T, N>::~Array()
{
}

#endif

// main.cpp
#include <iostream>
#include "Array.h"

using namespace std;

int main()
{
    Array<double, 5> ad;
    
    for(int i=0; i<ad.length(); i++)
    {
        ad[i] = i * i;
    }
    
    for(int i=0; i<ad.length(); i++)
    {
        cout << ad[i] << endl;
    }
    
    return 0;
}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ main.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
0
1
4
9
16

1.3 堆数组类模板

示例——实现堆数组类模板（即数组创建在堆上）：

// HeapArray.h
#ifndef _HEAPARRAY_H_
#define _HEAPARRAY_H_

template
< typename T >
class HeapArray
{
private:
    int m_length;
    T* m_pointer;
    
    HeapArray(int len);
    HeapArray(const HeapArray<T>& obj);
    bool construct();
public:
    static HeapArray<T>* NewInstance(int length); 
    int length();
    bool get(int index, T& value);
    bool set(int index ,T value);
    T& operator [] (int index);
    T operator [] (int index) const;
    HeapArray<T>& self();
    ~HeapArray();
};

template
< typename T >
HeapArray<T>::HeapArray(int len)
{
    m_length = len;
}

template
< typename T >
bool HeapArray<T>::construct()
{   
    m_pointer = new T[m_length];
    
    return m_pointer != NULL;
}

template
< typename T >
HeapArray<T>* HeapArray<T>::NewInstance(int length)
{
    HeapArray<T>* ret = new HeapArray<T>(length);
    
    if( !(ret && ret->construct()) )
    {
        delete ret;
        ret = 0;
    }
    
    return ret;
}

template
< typename T >
int HeapArray<T>::length()
{
    return m_length;
}

template
< typename T >
bool HeapArray<T>::get(int index, T& value)
{
    bool ret = (0 <= index) && (index < length());
    
    if( ret )
    {
        value = m_pointer[index];
    }
    
    return ret;
}

template
< typename T >
bool HeapArray<T>::set(int index, T value)
{
    bool ret = (0 <= index) && (index < length());
    
    if( ret )
    {
        m_pointer[index] = value;
    }
    
    return ret;
}

template
< typename T >
T& HeapArray<T>::operator [] (int index)
{
    return m_pointer[index];
}

template
< typename T >
T HeapArray<T>::operator [] (int index) const
{
    return m_pointer[index];
}

template
< typename T >
HeapArray<T>& HeapArray<T>::self()
{
    return *this;
}

template
< typename T >
HeapArray<T>::~HeapArray()
{
    delete[]m_pointer;
}

#endif

// main.cpp
#include <iostream>
#include "HeapArray.h"

using namespace std;

int main()
{
    HeapArray<char>* pai = HeapArray<char>::NewInstance(10);
    
    if( pai != NULL )
    {
        HeapArray<char>& ai = pai->self();
        
        for(int i=0; i<ai.length(); i++)
        {
            ai[i] = i + 'a';
        }
        
        for(int i=0; i<ai.length(); i++)
        {
            cout << ai[i] << endl;
        }
    }
    
    delete pai;
    
    return 0;
}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ main.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
a
b
c
d
e
f
g
h
i
j

2.智能指针类模板

智能指针的意义：

现代C++开发库中最重要的类模板之一
C++中自动内存管理的主要手段
能够很大程度上避开内存相关的问题

STL中的智能指针 auto_ptr：

生命周期结束时，销毁指向的内存空间
不能指向堆数组，只能指向堆对象（变量）
一片堆空间只属于一个智能指针对象
多个智能指针对象不能指向同一片堆空间

2.1 使用智能指针

示例——使用auto_ptr：

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

class Test
{
    string m_name;
public:
    Test(const char* name)
    {
        cout << "Hello, " << name << "." << endl;
        
        m_name = name;
    }
    
    void print()
    {
        cout << "I'm " << m_name << "." << endl;
    }
    
    ~Test()
    {
        cout << "Goodbye, " << m_name << "." << endl;
    }
};

int main()
{
    auto_ptr<Test> pt(new Test("HelloWorld"));
    
    cout << "pt = " << pt.get() << endl;
    pt->print();
    cout << endl;
    
    auto_ptr<Test> pt1(pt);
    
    cout << "pt = " << pt.get() << endl;
    cout << "pt1 = " << pt1.get() << endl;
    pt1->print();
    
    return 0;
}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
Hello, HelloWorld.
pt = 0x18ea010
I'm HelloWorld.

pt = 0
pt1 = 0x18ea010
I'm HelloWorld.
Goodbye, HelloWorld.

STL中的其它智能指针：

shared_ptr——带有引用计数机制，支持多个指针对象指向同一片内存
weak_ptr——配合shared_ptr而引入的一种智能指针
unique_ptr——一个指针对象指向一片内存空间，不能构造拷贝和赋值

Qt中的智能指针：

QPointer
1. 当其指向的对象被销毁时，它会被自动置空
2. 析构时不会自动销毁所指向的对象
QSharedPointer
1. 引用计数型智能指针
2. 可以被自由地拷贝和赋值
3. 当引用计数为0时才删除指向的对象

2.2 智能指针类模板

示例——创建智能指针类模板：

// SmartPointer.h
#ifndef _SMARTPOINTER_H_
#define _SMARTPOINTER_H_

template
< typename T >
class SmartPointer
{
    T* mp;
public:
    SmartPointer(T* p = NULL)
    {
        mp = p;
    }
    
    SmartPointer(const SmartPointer<T>& obj)
    {
        mp = obj.mp;
        const_cast<SmartPointer<T>&>(obj).mp = NULL;
    }
    
    SmartPointer<T>& operator = (const SmartPointer<T>& obj)
    {
        if( this != &obj )
        {
            delete mp;
            mp = obj.mp;
            const_cast<SmartPointer<T>&>(obj).mp = NULL;
        }
        
        return *this;
    }
    
    T* operator -> ()
    {
        return mp;
    }
    
    T& operator * ()
    {
        return *mp;
    }
    
    bool isNull()
    {
        return (mp == NULL);
    }
    
    T* get()
    {
        return mp;
    }
    
    ~SmartPointer()
    {
        delete mp;
    }
};

#endif

// test.cpp
#include <iostream>
#include "SmartPointer.h"

using namespace std;

class Test
{
    string m_name;
public:
    Test(const char* name)
    {
        cout << "Hello, " << name << "." << endl;
        
        m_name = name;
    }
    
    void print()
    {
        cout << "I'm " << m_name << "." << endl;
    }
    
    ~Test()
    {
        cout << "Goodbye, " << m_name << "." << endl;
    }
};

int main()
{
    SmartPointer<Test> pt(new Test("HelloWorld"));
    
    cout << "pt = " << pt.get() << endl;
    pt->print();
    cout << endl;
    
    SmartPointer<Test> pt1(pt);
    
    cout << "pt = " << pt.get() << endl;
    cout << "pt1 = " << pt1.get() << endl;
    pt1->print();
    
    return 0;
}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
Hello, HelloWorld.
pt = 0x20a3010
I'm HelloWorld.

pt = 0
pt1 = 0x20a3010
I'm HelloWorld.
Goodbye, HelloWorld.

3.单例类模板

需求的提出：
在架构设计时，某些类在整个系统生命期中最多只能有一个对象存在（Single Instance）。

如何定义一个类，使得这个类最多只能创建一个对象？

要控制类的对象数目，必须对外隐藏构造函数
思路：

将构造函数的访问属性设置为private
定义instance并初始化为NULL
当需要使用对象时，访问instance的值
1. 空值：创建对象，并用instance标记
2. 非空值：返回instance标记的对象

3.1 实现单例模式

示例——实现单例模式：

#include <iostream>

using namespace std;

class SObject
{
    static SObject* c_instance; // 标识符：当前有没有对象
    
    SObject(const SObject&);
    SObject& operator= (const SObject&);
    
    SObject() { }
public:
    static SObject* GetInstance();
    
    void print()
    {
        cout << "this = " << this << endl;
    }
};

SObject* SObject::c_instance = NULL;

SObject* SObject::GetInstance()
{
    if( c_instance == NULL )
    {
        c_instance = new SObject();
    }
    
    return c_instance;
}

int main()
{
    SObject* s = SObject::GetInstance();
    SObject* s1 = SObject::GetInstance();
    SObject* s2 = SObject::GetInstance();
    
    s->print();
    s1->print();
    s2->print();
    
    return 0;
}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
this = 0x17cf010
this = 0x17cf010
this = 0x17cf010

存在的问题——需要使用单例模式时：

必须定义静态成员变量c_instance
必须定义静态成员函数GetInstance()

解决方案：
将单例模式相关的代码抽取出来，开发单例类模板。当需要单例类时，直接使用单例类模板。

3.2 单例类模板

示例——创建单例类模板：

// Singleton.h
#ifndef _SINGLETON_H_
#define _SINGLETON_H_

template
< typename T >
class Singleton
{
    static T* c_instance;
public:
    static T* GetInstance();
};

template
< typename T >
T* Singleton<T>::c_instance = NULL;

template
< typename T >
T* Singleton<T>::GetInstance()
{
    if( c_instance == NULL )
    {
        c_instance = new T();
    }
    
    return c_instance;
}

#endif

// test.cpp
#include <iostream>
#include "Singleton.h"

using namespace std;

class SObject
{
    friend class Singleton<SObject>; // 当前类需要使用单例模式
    
    SObject(const SObject&);
    SObject& operator= (const SObject&);
    
    SObject() { }
public:
    void print()
    {
        cout << "this = " << this << endl;
    }
};

int main()
{
    SObject* s = Singleton<SObject>::GetInstance();
    SObject* s1 = Singleton<SObject>::GetInstance();
    SObject* s2 = Singleton<SObject>::GetInstance();
    
    s->print();
    s1->print();
    s2->print();
    
    return 0;
}

运行结果为：

[root@bogon Desktop]# g++ test.cpp
[root@bogon Desktop]# ./a.out 
this = 0x1bfd010
this = 0x1bfd010
this = 0x1bfd010

4.小结

模板参数可以是数值型参数
数值型模板参数必须在编译期间唯一确定
数组类模板是基于数值型模板参数实现的
数组类模板是简易的线性表数据结构
智能指针C++中自动内存管理的主要手段
智能指针在各种平台上都有不同的表现形式
智能指针能够尽可能的避开内存相关的问题
STL和Qt中都提供了对智能指针的支持
单例模式是开发中最常用的设计模式之一
单例模式的应用使得一个类最多只有一个对象
可以将单例模式相关的代码抽象成类模板
需要使用单例模式的类直接使用单例类模板

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原文地址：https://www.cnblogs.com/PyLearn/p/10093955.html