C++——特殊类

Tlzns2024-02-01 8:09

特殊类

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一、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中：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

原因：

  1. 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
  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，但一定要声明，不然会默认生成
cpp 复制代码 
class CopyBan
{
	// ...
private:
	CopyBan(const CopyBan&);
	CopyBan& operator=(const CopyBan&);
	//...
};

C++11中：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;
	//...
};

二、请设计一个类，只能在堆上创建对象

方案一：析构函数私有化

实现方式：

  1. 将类的析构函数设为私有
  2. 提供一个公有成员函数，在该公有成员函数中完成堆对象的析构
cpp 复制代码 
class HeapOnly
{
public:
	/*static void Destroy(HeapOnly* ptr)
	{
		delete ptr;
	}*/

	void Destroy()
	{
		delete this;
	}
private:
	~HeapOnly()
	{
		cout << "~HeapOnly()" << endl;
	}
};

方案二：构造函数私有化

实现方式：

  1. 将类的构造函数私有，拷贝构造声明成私有或delete，防止别人调用拷贝在栈上生成对象
  2. 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* CreateObj()
	{
		return new HeapOnly;
	}

private:

	//C++98
	//HeapOnly(const HeapOnly& hp);
	
	//C++11
	HeapOnly(const HeapOnly& hp) = delete;

	HeapOnly()
	{
		cout << "HeapOnly()" << endl;
	}
};

三、请设计一个类，只能在栈上创建对象

实现方式：将构造函数私有化，然后设计静态方法创建对象返回

cpp 复制代码 
class StackOnly
{
public:
	static StackOnly CreateObj()
	{
		StackOnly obj;
		return obj;
	}

	void* operator new(size_t size) = delete;

	// 实现类专属的operator new
	// new这个类对象时，operator new就会调用这个，不会调全局的
	//StackOnly obj = StackOnly::CreateObj();
	//StackOnly* ptr = (StackOnly*)new StackOnly(obj);
	//void* operator new(size_t size)
	//{
	//	cout << "void* operator new(size_t size)" << endl;
	//	return malloc(size);
	//}

private:
	StackOnly()
	{
		cout << "StackOnly()" << endl;
	}
};

值得注意的是，需要把operator new函数delete掉，否则如果在类外定义，还是可以动态开辟空间

cpp 复制代码 
class StackOnly
{
public:
	static StackOnly CreateObj()
	{
		StackOnly obj;
		return obj;
	}

	//void* operator new(size_t size) = delete;

	// 实现类专属的operator new
	// new这个类对象时，operator new就会调用这个，不会调全局的
	//StackOnly obj = StackOnly::CreateObj();
	//StackOnly* ptr = (StackOnly*)new StackOnly(obj);
	void* operator new(size_t size)
	{
		cout << "void* operator new(size_t size)" << endl;
		return malloc(size);
	}

private:
	StackOnly()
	{
		cout << "StackOnly()" << endl;
	}
};

int main()
{
	StackOnly obj = StackOnly::CreateObj();
	StackOnly* ptr = (StackOnly*)new StackOnly(obj);
	return 0;
}

四、请设计一个类，不能被继承

C++98：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 GetInstance()
	{
		return NonInherit();
	}
private:
	NonInherit()
	{}
};

C++11：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
{
	// ....
};

五、请设计一个类，只能创建一个对象(单例模式)

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》，写代码也是类似，也有套路

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

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

饿汉模式

饿汉模式

优点：简单

缺点：可能会导致进程启动慢，且如果有多个单例类对象实例启动顺序不确定

cpp 复制代码 
// 饿汉模式:提前(main函数启动时)创建好实例对象
// 优点：实现简单
// 缺点：1、可能会导致进程启动慢、2、如果两个单例有启动先后顺序，那么饿汉无法控制
class A
{
public:
	static A* GetInstance()
	{
		return &_inst;
	}

	void Add(const string& key, const string& value)
	{
		_dict[key] = value;
	}

	void Print()
	{
		for (auto& kv : _dict)
		{
			cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
		}
		cout << endl;
	}
private:
	A()
	{}

	A(const A& aa) = delete;
	A& operator=(const A& aa) = delete;

	map<string, string> _dict;
	int _n = 0;

	static A _inst;
};

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

懒汉模式

懒汉模式

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自由控制

缺点：复杂

cpp 复制代码 
// 懒汉模式:第一次用的时候再创建（现吃现做）
// todo:线程安全问题
// new的懒汉对象一般不需要释放，进程正常结束会释放资源
// 如果需要做一些动作，比如持久化，那么可以利用gc类static对象搞定
class B
{
public:
	static B* GetInstance()
	{
		if (_inst == nullptr)
		{
			_inst = new B;
		}

		return _inst;
	}

	void Add(const string& key, const string& value)
	{
		_dict[key] = value;
	}

	void Print()
	{
		for (auto& kv : _dict)
		{
			cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
		}
		cout << endl;
	}

	static void DelInstance()
	{
		if (_inst)
		{
			delete _inst;
			_inst = nullptr;
		}
	}

private:
	B()
	{}

	~B()
	{
		// 持久化：要求把数据写到文件
		cout << "数据写到文件" << endl;
	}

	B(const B& aa) = delete;
	B& operator=(const B& aa) = delete;

	map<string, string> _dict;
	int _n = 0;

	static B* _inst;

	class gc
	{
	public:
		~gc()
		{
			DelInstance();
		}
	};

	static gc _gc;
};

B* B::_inst = nullptr;
B::gc B::_gc;

此处需要注意的是由于懒汉模式的单例对象是new出来的，大部分情况下这个单例对象是不需要回收的，由于进程使用的是虚拟地址，由页表映射到物理地址，所以等进程结束时，会发生解页表操作，此时动态分配的空间在系统的层面上被回收了

但如果我们还是希望能够自主控制这个单例何时释放空间或者当main函数结束的时候单例能够自动回收空间的话，可以实现一个内部类，进行回收操作

理由：我们不能把new出来的单例对象放在单例的析构函数中delete，因为如果这样会发生无限递归函数的情况，导致栈溢出，所以我们需要额外写一个函数接口能够自主将new出的单例对象空间释放，同时我们希望main函数结束的时候，如果该空间未释放，能够做到自动回收这份new出来的空间，此时内部类的回收机制就完全符合了我们的要求，也就是说内部类是解决问题的最优解

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

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