C++ 特殊类的实现

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。

在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禁止拷贝。

原因：

设置成私有：如果声明了但是没有设置成private，用户就可以在类外面进行定义，就不能禁止拷贝了。

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，但一定要声明，不然会默认生成。

代码示例：

cpp 复制代码

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

C++11做法**：**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。

代码示例：

cpp 复制代码

class CopyBan
{
public:
    CopyBan(int x = 1)
        :_x(x)
    {}
    CopyBan(const CopyBan&) = delete;
    CopyBan& operator=(const CopyBan&) = delete;

private:
    int _x;
};

int main() {
    CopyBan a(1);
    CopyBan b(a);
    CopyBan b=a;
	return 0;
}

显示函数被删除：

二、请设计一个类，只能在堆上创建对象

实现方式一：析构函数私有化

原因：

因为在栈上和静态区的对象需要自动调用析构函数，而析构函数无法调用了，就会导致我们程序出现问题，编译器检测出来这个问题，使我们无法在栈上和静态区创建对象。

因为堆上的对象是需要我们手动的创建和删除的，所以在堆上创建对象只先调用构造函数；如果我们需要对堆上创建的对象进行销毁，我们可以提供一个公有函数接口，用这个函数接口调用私有函数。

代码如下：

cpp 复制代码

class HeapOnly
{
public:

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

方案二：构造函数私有化

实现方式：

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
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

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

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、设计模式的引出

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。（类似于一个模板，

六、请设计一个类，只能创建一个对象(单例模式)

单例模式的定义

单例模式的类需要保证系统中该类只有一个实例并提供一个用于访问它的全局访问点，而且该实例需要被所有程序模块共享。

单例模式有以下特征：

因为全局只允许存在单个对象，所以单例对象常放在静态区或者堆区(只创建一次)。

为了防止在其他位置创建该对象，构造函数必须私有。

为了防止拷贝，需要禁用拷贝构造和赋值运算符重载函数。

单例模式有两种实现方式：饿汉模式和懒汉模式。

一饿汉模式

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

二懒汉模式

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慢，所以这种情况使用懒汉模式（延迟加载）更好

C++ 特殊类的实现

一、请设计一个类，不能被拷贝

二、请设计一个类，只能在堆上创建对象

三、请设计一个类，只能在栈上创建对象

四、请设计一个类，不能被继承

五、设计模式的引出

六、请设计一个类，只能创建一个对象(单例模式)

一 饿汉模式

二 懒汉模式

一饿汉模式

二懒汉模式