【C++】特殊类设计

炫酷的伊莉娜2023-12-27 10:53

一、设计一个类，不能被拷贝

拷贝只会发生在两个场景中：拷贝构造函数和赋值运算符重载。

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。

1、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
{
public:
	CopyBan()
	{}
private:
	CopyBan(const CopyBan& cb); // 拷贝构造函数声明
	CopyBan& operator=(const CopyBan& cb); // 赋值运算符重载声明
};

【原因】

  1. 设置成私有：如果只声明而没有设置成 private，用户自己如果在类外定义了，就可以不能禁止拷贝了。
  2. 只声明不定义：不定义是因为该函数根本不会调用，定义了其实也没什么意义，不写反而更简单，而且如果定义了就不能防止成员函数内部拷贝了。

如上图代码，在对这个特殊类进行拷贝和赋值的时候，因为这两个成员函数私有而无法调用。

拷贝构造以及赋值运算符重载等成员函数，在调用时都是编译器在域外调用，所以必须是公有的。

2、C++11

C++11 扩展了 delete 的用法，delete 除了释放 new 申请的资源以外，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，此时编译器也不会自动生成默认的拷贝构造和赋值运算符重载函数。

cpp 复制代码 
class CopyBan
{
public:
	CopyBan()
	{}
private:
	CopyBan(const CopyBan& cb) = delete; // 拷贝构造函数声明
	CopyBan& operator=(const CopyBan& cb) = delete; // 赋值运算符重载声明
};

二、设计一个类，只能在堆上创建对象

正常创建类对象时，会在栈上创建，并且自动调用构造函数来初始化。下面设计一个类，只能在堆上创建对象。

1、实现方式

只能在创建在堆上时，就需要让该对象只能通过 new 来创建，并且调用构造函数来初始化。

  1. 将类的构造函数私有，拷贝构造声明成私有。防止别人调用拷贝在栈上生成对象。
  1. 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。
cpp 复制代码 
class HeapOnly
{
public:
	static HeapOnly* CreateObject()
	{
		return new HeapOnly;
	}
private:
	//构造函数
	HeapOnly() {}
	HeapOnly(const HeapOnly& hp) = delete; // 禁止拷贝
};

定义一个静态成员函数，在该函数内部 new 一个 HeapOnly 对象。将构造函数和拷贝构造函数私有，并且禁止生成拷贝构造函数。

【原因】

  • 使用静态成员函数 new 一个 HeapOnly 对象。

那么非静态成员函数在调用时，必须使用点 (.) 操作符来调用，这一步是为了传 this 指针。这样的前提是先有一个 HeapOnly 对象，但是构造函数设置成了私有，就无法创建这样一个对象。

而静态成员函数的调用不用传 this 指针，也就不需要必须有 HeapOnly 对象，只需要类域 :: 静态成员函数即可。静态成员函数属于 HeapOnly 域内，所以在 new 一个对象的时候，可以调用私有的构造函数。

  • 禁止调用拷贝构造函数并且私有化。

这样做的目的是为了禁止拷贝，防止使用堆区上的 HeapOnly 对象在栈区上拷贝，如下面代码：

而禁止了拷贝构造就杜绝了这一行为，从而保证了 HeapOnly 对象只能在堆上创建。

三、设计一个类，只能在栈上创建对象

  • 主要是需要做到不能在堆上创建类对象。
  • new 一个对象的时候，会调用该类的 operator new(size_t size) 函数，在释放资源的时候又会调用该类的 operator delete(void* p) 函数。

1、方法一

所以防止在堆上创建类对象就是要禁止调用 operator new(size_t size) 和 operator delete(void* p) 这两个函数。

cpp 复制代码 
class StackOnly
{
public:
	// 构造函数
	StackOnly()
	{}

	void* operator new(size_t size) = delete; // 禁止调用new
	void operator delete(void* p) = delete; // 禁止调用delete
};

使用 delete 来禁止这两个函数的调用，那么在 new 一个对象的时候，就会产生编译错误，从而无法在堆区上创建类对象。

此时在堆上创建对象时就会报错，尝试引用已删除的函数。

2、方法二

另一种方式就是和之前一样，通过一个静态成员函数在栈区上创建一个类对象，并且将默认构造函数私有化，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 CreateObject()
	{
		return StackOnly();
	}
private:
	StackOnly()
	{}
};

此时 new 一个对象的时候，由于默认构造函数私有而无法调用，所以报错。

但以上两种设计方法都有一个漏洞，类对象可以在静态区（数据段）上创建：

cpp 复制代码 
static StackOnly so = StackOnly::CreateObject();

设计特殊类的核心：只能通过静态成员函数来创建类，封掉其他所有创建方式。

四、设计一个类，不能被继承

1、C++98 方式

C++98 中构造函数私有化 ，派生类中调不到基类的构造函数则无法继承。

cpp 复制代码 
// 基类
class NonInherit
{
private:
	// 基类构造函数私有
	NonInherit()
	{}
};

// 派生类
class B : public NonInherit
{};

2、C++11 方法

使用 final 关键字来修饰类，表示该类不能被继承。

cpp 复制代码 
class A final
{};

五、设计一个类，只能创建一个对象（单例模式）

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。

2、单例模式（一种设计模式）

  • 单例模式：一个类只能创建一个对象。
  • 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。

  • 全局只有一个实例对象 ，所以将单例对象放在静态区 / 堆区（保证只创建一次）。
  • 为了防止其他位置创建该对象 ，将构造函数私有。
  • 为了防止拷贝 ，使用 delete 修饰拷贝构造和赋值运算符重载函数。

单例模式有两种实现模式：

（1）饿汉模式

就是说不管你将来用不用，程序启动时就创建一个唯一的实例对象。

cpp 复制代码 
// 饿汉模式
class Singleton
{
public:
    // 获取单例对象接口
    static Singleton* GetInstance()
    {
        return &m_instance;
    }
private:
    // 构造函数私有
    Singleton()
    {};
    
    // C++98 防拷贝
    Singleton(Singleton const& s); 
    Singleton& operator=(Singleton const& s); 
      
    // or
      
    // C++11
    Singleton(const Singleton& s) = delete; // 禁止使用拷贝构造
	Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete; // 禁止使用赋值运算符重载
  
    // 保证单例对象在静态区且只有一个
	static Singleton m_instance; // 单例对象
};
// 在程序入口之前就完成单例对象的初始化
Singleton* Singleton::m_instance = new Singleton; 

int main()
{
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	return 0;
}

静态成员变量只能在类域外进行定义初始化。

所以在 main 函数之前就将单例对象定义初始化，此时该单例对象创建在静态区上，而且仅有一个，后面就无法再创建。

  • 想要获取该单例对象只能通过静态成员函数 GetInstance() 来获取。
  • 静态成员函数可以直接访问静态成员变量 m_instance。
cpp 复制代码 
int main()
{
	Singleton* s = Singleton::GetInstance(); // 获取单例对象
	return 0;
}
为什么称之为饿汉模式呢？

不管将来会不会使用到这个单例对象，但是在程序一启动还没有进入 main 函数之前就创建一个唯一的实例对象。就像一个饿汉一样，一上来就先吃（创建单例对象）。

【总结】

1、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。
2、饿汉单例模式优点：

  • 保证全局（整个进程）只有唯一实例对象。
  • 饿汉模式：一开始就创建对象，特别简单。

3、饿汉单例模式缺点：

  • 多个单例对象 A、B、C 假设要求他们之间有依赖关系：依次创建就无法达到，无法保证顺序可能会导致进程启动很慢。
    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。
（2）懒汉模式
cpp 复制代码 
// 懒汉模式
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
using namespace std;

class Singleton
{
public:
    static Singleton* GetInstance()
    {
        // 注意这里一定要使用Double-Check的方式加锁，才能保证效率和线程安全
		if (nullptr == m_pInstance) 
        {
            // 如果单例对象没有创建则在堆区创建
            if (nullptr == m_pInstance)
            {
                m_pInstance = new Singleton();
            }
            return m_pInstance;
        }
    }
    
    // 实现一个内嵌垃圾回收类
	class CGarbo 
    {
	public:
		~CGarbo() 
        {
			if (Singleton::m_pInstance)
				delete Singleton::m_pInstance;
		}
	};

	// 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 CGarbo Garbo;
private:
    // 构造函数
    Singleton(){};

    // 防拷贝
    Singleton(const Singleton& s) = delete; // 禁止拷贝
	Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete; // 禁止赋值

    //静态单例对象指针
	static Singleton* m_pInstance;//单例对象指针

	static mutex m_mtx; //互斥锁
};

Singleton* Singleton::m_pInstance = nullptr; // 初始化为空
Singleton::CGarbo Garbo;
mutex Singleton::m_mtx;

void func(int n)
{
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
}
 
// 多线程环境下才能演示上面GetInstance()加锁和不加锁的区别
int main()
{
	thread t1(func, 10);
	thread t2(func, 10);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
    return 0;
}

这里出现了一个有关线程安全的问题。当多线程时，进行判断为 nullptr，这时还没有调用 new，当前的线程就被切走了。下一个线程来了还是 nullptr 就又进去 new 了一个对象，然后恢复第一个线程的上下文后又 new 了一个对象，第二个 new 的就将第一个的给覆盖了，所以就出现了错误。

这里我们就可以使用互斥锁：

因为加锁需要加在一个锁上才有用，所以我们也要将锁设为静态的，然后在类外进行初始化，这样就保证了只实例化出一个对象来，但实际上这样还是有问题的。

当我们 new 出一个对象之后，我们在进行调用 GetInstance 的时候，还会不停的加锁解锁。加锁解锁是有性能消耗的，所以不断的加锁解锁是很不好的，所以这里我们要使用双检测加锁：

这样减少了加锁，提高了效率，但还是会有一点问题，单例对象什么时候释放呢？

其实单例对象是不需要释放的。因为在一般情况下，单例在进程启动之后随时会被使用，而且这个对象也不大，所以就可以不去释放它。那么会有内存泄漏吗？

如果进程是正常结束的，因为 new 出来得到的进程地址空间是虚拟内存，当结束之后就会将地址通过页表取消映射，那么 new 出来的资源就会还给 OS。当然如果想要释放也是没有问题的：

实现一个 DelInstance 手动调用的去释放。

当然有可能考虑到程序结束时，需要处理一下持久化保存一些数据，比方说要将数据写到硬盘上。那么可以写一个析构函数，在析构函数中去处理。如果担心会忘记手动调用 DelInstance ，那么可以通过设计一个类，在类中实现一个析构函数。

上面就是在创建的时候创建一个 _gc。当 main 结束时，_gc 生命周期结束，然后调用它的析构函数，直接将单例对象进行析构。

  • 同样将构造函数私有，拷贝构造和赋值运算符重载函数禁止调用，用来保证单例模式的唯一性。
  • 增加静态单例对象指针成员变量。

在类外实例化静态指针变量的时候，并没有创建单例对象，而是将其初始化为空。

cpp 复制代码 
int main()
{
	Singleton* ps = Singleton::GetInstance();//获取单例对象
	return 0;
}

在获取单例对象时，如果是第一次使用，那么就会在堆区上 new 一个单例对象，并且将所在地址赋值给静态的成员指针变量。

为什么称之为懒汉模式呢？

懒汉模式又叫做延时加载模式。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、初始化网络连接、读取文件等等，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。
【优点】

  • 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（通过代码顺序）自由控制。

【缺点】

  • 复杂。
  • 如果不加锁是会出现线程安全的问题。但是加锁是会十分影响性能的，所以引入了双检查。那么既要保证线程安全+又要保证效率的问题。
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