特殊类设计

文章目录

特殊类设计
- [1. 请设计一个类，不能被拷贝](#1. 请设计一个类，不能被拷贝)
- [2. 请设计一个类，只能在堆上创建对象](#2. 请设计一个类，只能在堆上创建对象)
- [3. 请设计一个类，只能在栈上创建对象](#3. 请设计一个类，只能在栈上创建对象)
- [4. 请设计一个类，不能被继承](#4. 请设计一个类，不能被继承)
- [5. 单例模式](#5. 单例模式)
- - [5.1 设计模式](#5.1 设计模式)
  - [5.2 单例模式](#5.2 单例模式)
  - - [(1) 饿汉模式](#(1) 饿汉模式)
    - [(2) 懒汉模式](#(2) 懒汉模式)

1. 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。

C++98
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。

cpp 复制代码

class CopyBan
{
// ...
private:
    CopyBan(const CopyBan&);
    CopyBan& operator=(const CopyBan&);
//...
}

原因：

设置成私有：如果只声明没有设置成private，用户自己如果在类外定义了，就可以不能禁止拷贝了
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。

C++11
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。

cpp 复制代码

class CopyBan
{
// ...
    CopyBan(const CopyBan&)=delete;
    CopyBan& operator=(const CopyBan&)=delete;
//...
};

2. 请设计一个类，只能在堆上创建对象

思路1：析构函数私有化

cpp 复制代码

class HeapOnly
{
public:
	void Destroy()
	{
		delete this;
	}
private:
	~HeapOnly()
	{
		
	}
};

提供一个Destroy()函数直接delete this释放对象，我们使用完对象后只需要显示调用Destroy()函数

思路2： 构造函数私有化

实现方式：

将类的构造函数私有，拷贝构造和赋值重载声明成私有。防止别人调用拷贝在栈上生成对象。(比如这种情况：HeapOnly p2(*p);)
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。(此函数必须声明为static的，否则无法调用此函数，调用此函数需要对象，对象是此函数new出来的，典型的"鸡生蛋，蛋生鸡"的问题，所以必须声明为静态的)

cpp 复制代码

class HeapOnly
{
public:
	static HeapOnly* CreatObj()
	{
		HeapOnly* p = new HeapOnly;
		return p;
	}
private:
	HeapOnly()
	{

	}

	HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
	HeapOnly& operator=(const HeapOnly&) = delete;
};

3. 请设计一个类，只能在栈上创建对象

思路：同上将构造函数私有化，然后设计静态方法创建对象返回即可。

cpp 复制代码

class StackOnly
{
public:
	static StackOnly CreateObj(int x=0)
	{
		return StackOnly(x);      // 返回的是拷贝
	}
	
	// 走移动构造
	StackOnly(const StackOnly&& st)
		:_x(st._x)
	{

	}
private:
	StackOnly(int x=0)
		:_x(x)
	{

	}

	StackOnly(const StackOnly&st) = delete;

	int _x;
};

单纯的封住构造函数，不能避免 static StackOnly t3 = t1;情况，所以我们也要把拷贝构造封死。
但是CreateObj函数返回的就是临时对象的拷贝，一旦直接封死拷贝构造函数，也无法通过CreateObj创建对象。StackOnly(x)是右值，我们可以提供一个移动构造函数来解决

cpp 复制代码

int main()
{
	StackOnly t1=StackOnly::CreateObj(1);

	//static StackOnly t3 = t1;    err
}

4. 请设计一个类，不能被继承

C++98方式：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

cpp 复制代码

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

C++11方法
final关键字， final修饰类，表示该类不能被继承。

cpp 复制代码

class A final
{
	// ....
};

5. 单例模式

5.1 设计模式

设计模式（Design Pattern）是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类的、代码设计经验的总结 。为什么会产生设计模式这样的东西呢？就像人类历史发展会产生兵法。最开始部落之间打仗时都是人拼人的对砍。后来春秋战国时期，七国之间经常打仗，就发现打仗也是有套路的，后来孙子就总结出了《孙子兵法》。孙子兵法也是类似。

使用设计模式的目的：为了代码可重用性、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。设计模式使代码编写真正工程化；设计模式是软件工程的基石脉络，如同大厦的结构一样。

5.2 单例模式

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。比如在某个服务器程序中，该服务器的配置信息存放在一个文件中，这些配置数据由一个单例对象统一读取，然后服务进程中的其他对象再通过这个单例对象获取这些配置信息，这种方式简化了在复杂环境下的配置管理。

单例模式有两种实现模式：饿汉模式，懒汉模式

(1) 饿汉模式

一开始(main函数之前)就创建对象

cpp 复制代码

class Singleton
{
public:
	static Singleton*GetInstance()
	{
		return _ins;
	}
private:
    
	// 限制类外面随意创建对象
	Singleton()
	{
		cout << "Singleton()" << endl;
	}

	Singleton(const Singleton& s) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete;
    
private:
	static Singleton* _ins;
};
Singleton* Singleton::_ins = new Singleton;  // 在程序入口之前就完成单例对象的初始化

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。

饿汉模式的分析：

缺点：
- 如果单例对象初始化很慢 (如初始化动作多，还会伴随一些IO行为，如读配置文件等)，main函数之前就要申请，会出现2个问题：<1> 暂时不需要使用却占用资源 <2> 程序启动会受到影响
- 如果两个单例都是饿汉，并且有依赖关系，要求单例1再创建，单例2再创建，饿汉无法控制顺序，懒汉才可以
优点：
- 简单(相对懒汉而言)

(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。

cpp 复制代码

class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		// 双检查加锁
		if (_ins == nullptr)    // 提高效率,不需要每次获取单例都加锁解锁
		{
			_imtx.lock();

			if (_ins == nullptr) // 保证线程安全和只new一次
			{
				_ins = new Singleton;
			}

			_imtx.unlock();
		}

		return _ins;
	}

	// 一般全局都要使用单例对象，所以单例对象一般不需要显示释放
	// 有些特殊场景，想显示释放一下
	static void DelInstance()
	{
		_imtx.lock();
		if (_ins)
		{
			delete _ins;
			_ins = nullptr;
		}
		_imtx.unlock();
	}

	// 内部类: 单例回收
	class GC
	{
	public:
		~GC()
		{
			DelInstance();
		}
	};
	//	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 GC _gc;
    
private:
	// 限制类外面随意创建对象
	Singleton()
	{
		
	}

	Singleton(const Singleton& s) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete;

private:
    
	static Singleton* _ins;
	static mutex _imtx;
};
Singleton* Singleton::_ins = nullptr;
mutex Singleton::_imtx;   // 锁这里不用给值, 直接定义即可
Singleton::GC Singleton::_gc;

懒汉模式分析：

优：第一次使用实例对象时，创建对象。进程启动无负载。多个单例实例启动顺序自由控制。
缺点：复杂

实现懒汉的另一种方式：

在C++11标准中，要求局部静态变量初始化具有线程安全性，所以我们可以很容易实现一个线程安全的单例类。

cpp 复制代码

class Singleton
{
public:
    
    // C++11之前: 这里不能保证初始化静态对象的线程安全问题
    // C++11之后: 这里可以保证初始化静态对象的线程安全问题
	static Singleton* GetInstance()
	{
		static Singleton ins;
		return &ins;
	}

	// 一般全局都要使用单例对象，所以单例对象一般不需要显示释放
	// 有些特殊场景，想显示释放一下
	static void DelInstance()
	{
		_imtx.lock();
		if (_ins)
		{
			delete _ins;
			_ins = nullptr;
		}
		_imtx.unlock();
	}

	// 内部类: 单例回收
	class GC
	{
	public:
		~GC()
		{
			DelInstance();
		}
	};
	//	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 GC _gc;
    
private:
	// 限制类外面随意创建对象
	Singleton()
	{
        
	}

	Singleton(const Singleton& s) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete;

private:
	static Singleton* _ins;
	static mutex _imtx;
};
Singleton* Singleton::_ins = nullptr;
mutex Singleton::_imtx;
Singleton::GC Singleton::_gc;