C++:特殊类的设计(无线程）

枫叶红花2024-07-06 12:37

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一、设计一个不能拷贝类

二、设计一个只能在堆上创建对象的类

方法一：析构函数私有化

方法二：构造函数私有化

三、设计一个只能在栈上创建对象的类

四、设计一个类不能被继承

五、设计一个只能创建一个对象的类（单例模式）

1.设计模式

2.单例模式

饿汉模式

懒汉模式

一、设计一个不能拷贝类

拷贝只会产生在两个场景中：调用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：

  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，还是能拷贝。

  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。

  • 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;
    //...
};

二、设计一个只能在堆上创建对象的类

方法一：析构函数私有化

那么我们怎么创建对象呢？其实这里不能直接创建对象，只能用指针间接创建一个对象，如下所示。

可以直接用delete吗？

不行，因为delete释放对象的资源会调用对象的析构函数，而析构函数不可访问。这该怎么办呢？

既然析构函数被设置为私有，只能够在类内调用，那我们设置一个public函数调用析构函数可以吗？如下所示：

cpp 复制代码 
class HeapOnly
{
public:
	void Destroy()
	{
		this->~HeapOnly();
	}
private:
	~HeapOnly()
	{
		cout << "~HeapOnly" << endl;
	}
};

//方法一：析构函数私有化
//因为没有析构函数，就只能用new申请资源赋值给类类型的指针。
int main()
{
	//HeapOnly hp1;
	HeapOnly* hp2 = new HeapOnly;
	//delete hp2;
	hp2->Destroy();
	return 0;
}

运行一下：

调用了析构函数没有问题。

我们还可以用delete调用析构函数，

但这种写法有些繁琐，我们可以将Destroy设置成静态的类成员函数。

这样调用就简单一点。

注意：类的静态成员函数不能使用非静态成员变量，因为使用非静态成员变量要this，而静态成员函数中没有this。上面的静态成员函数调用的变量是ptr，ptr不是成员变量，更不是非静态成员变量，不需要this调用。delete ptr,是delete调用ptr指向空间的析构函数。

方法二：构造函数私有化

因为构造函数私有了，类外部不能直接访问，所以不能直接实例化，也不能通过new赋值给类类型指针了。

同析构函数一样，我们也可以用间接调用构造函数的方式，创造对象指针，如下

但是这里报错 ：CreateObj显示未定义，这是为什么呢？因为CreateObj是成员函数，调用成员函数要先创建对象或对象的指针，而我们又要用CreateObj创建对象。

怎么解决这个问题呢？我们可以使用静态成员函数，

这样就行解决了。注意：这里的new调用构造函数，构造函数不需要this调用。

但这种写法有个致命缺陷，就是可以通过拷贝构造创建栈上的变量。如下所示：

由于是浅拷贝，所以hp4和hp3指向同一块空间。我添加一个私有成员变量check_i来核验一下，

所以我们要把拷贝构造禁掉，

三、设计一个只能在栈上创建对象的类

因为只能在栈上创建对象，所以要限制对象的创建方式，我们先将构造函数设置为私有，这样就只能通过类内部的某个函数调用构造函数，在这个函数中，我们通过在栈上创建变量，然后返回该变量， 同时要将这个函数设置为静态的，因为非静态成员要用隐式的this调用。

cpp 复制代码 
//设计一个只能在栈中创建对象的类
class StackOnly
{
public:
	static StackOnly CreateObj()
	{
		StackOnly obj;
		return obj;
	}
private:
	StackOnly()
	{
		cout << "StackOnly()" << endl;
	}
	int check_i = 666;
};
int main()
{
	StackOnly obj = StackOnly::CreateObj();
	return 0;
}

运行，

这样只限制了构造函数，但可以通过new拷贝构造的对象申请堆上的空间，如下

那可以把拷贝构造delete吗？

会报错，因为传值返回会调用拷贝构造。

我们知道new分为两个步骤，一个是调用operator new ,一个是调用构造函数。

我们可以从operator new出手。对于每一个类，如果我们不显示实现类专属的operator new,它就会调用全局的operator new。如果我们实现类专属的operator new,如下

cpp 复制代码 
class StackOnly
{
public:
	static StackOnly CreateObj()
	{
		StackOnly obj;
		return obj;
	}
	//StackOnly(const StackOnly& obj) = delete;
	void* operator new(size_t size)
	{
		cout << "void* operator new(size_t size)" << endl;
		return malloc(size);
	}
private:
	StackOnly()
	{
		cout << "StackOnly()" << endl;
	}
	int check_i = 666;
};
int main()
{
	StackOnly obj = StackOnly::CreateObj();
	StackOnly* ptr = new StackOnly(obj);
	return 0;
}

编译器就会优先调用显示实现的operator new,我们执行一下，

确实如此。

所以我们可以把operator new禁掉，这样new就会报错。

四、设计一个类不能被继承

C++98:

C++11：

五、设计一个只能创建一个对象的类（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。

使用设计模式的目的：增强代码的可重用性、可理解性、可靠性，促使代码编写工程化。

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

程序启动时就创建一个唯一的实例对象。 （main函数启动前）

但凡是对对象有限制的，比如只能在堆上、栈上创建，第一步，就是将构造函数私有化。

如果不私有化构造函数（因为要创建对象，所以不可能delete构造函数），那么就可以通过构造函数构造多个对象。如下，我们先将构造函数私有化：

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	
private:
	A()
	{}
	map<string, string> _dict;
	int _n = 0;
};
int main()
{

}

现在我们要创建一个在main()函数调用前就存在的对象，还只能创建一个。我们把问题分解为两个小问题"main函数前创造"和"只能创造一个"，我们先思考前一个问题，什么变量在main()调用前就创造好了你？好像只能是全局变量。

我们试试创建A类型的全局变量_inst。

发现报错，我们没办法直接在类外面定义一个全局变量，那我们可以在类内声明一个变量再在类外定义吗？这不就是类的静态成员变量吗？

类的静态成员只能在类内声明类外定义，我们试试，

cpp 复制代码 
class A
{
public:

private:
	A()
	{}
	map<string, string> _dict;
	int _n = 0;
	static A _inst;
};
A A::_inst;
int main()
{
	return 0;
}

我们运行一下程序，发现没有问题。

现在我们只要通过一个类的静态成员函数拿出_inst就行。（注意，一定要是静态的，不然访问非静态的成员函数需要对象或对象的指向，就需要构造对象)

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	static A* GetInstance()
	{
		return &_inst;
	}
private:
	A()
	{}
	map<string, string> _dict;
	int _n = 0;
	static A _inst;
};
A A::_inst;

可以选择返回指针，也可以返回引用。

因为我们私有了构造函数，同时只创建一个类的静态成员变量，所以不修改当前代码，该类通过构造函数只有这一个对象（后面还要禁拷贝构造）。（同样的，如果定义了两个静态成员变量，该类就可以有两个对象）

那么我们怎么给这个对象添加数据呢？

这本质就是访问其他成员变量（非静态的成员变量），由于A中的成员变量都是私有的，所以我们只要间接的通过成员函数访问私有成员变量即可。

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	static A* GetInstance()
	{
		return &_inst;
	}
	void Add(const string& key,const string& value)
	{
		_dict[key] = value;
	}

private:
	A()
	{}
	map<string, string> _dict;
	int _n = 0;
	static A _inst;
};
A A::_inst;

我们还可以写一个"打印函数"，

cpp 复制代码 
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()
	{}
	map<string, string> _dict;
	int _n = 0;
	static A _inst;
};
A A::_inst;

我们开始测试一下这个类。

cpp 复制代码 
int main()
{
	A::GetInstance()->Add("sort", "排序");
	A::GetInstance()->Add("left", "左边");
	A::GetInstance()->Add("right", "右边");
	A::GetInstance()->Print();
	return 0;
}

输出：

我们还需要禁掉拷贝构造，不然可以通过拷贝构造创建对象，如下所示，

这样就创造了两个不同的对象。 所以我们要把拷贝构造禁掉，如果不需要自己给自己赋值，赋值重载也可以禁掉。

饿汉模式的优点：实现简单。

饿汉模式的缺点：1.可能会导致进程启动慢；

  1. 如果有两个单例，A类单例和B类单例，分别在不同的文件中，且要区分启动的先后顺序，饿汉模式无法控制启动的先后顺序。

懒汉模式

既然懒汉模式是需要时才用，那我们可以将对象的定义到函数中，调用该函数才会真正创建对象。

为了保证只创建一个对象，我们可以用指针的接受new的对象，这样在函数可以根据指针是否为空，判断是否要创建对象，代码如下，

cpp 复制代码 
//懒汉模式:第一次使用时再创建（现吃现用）
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;
	}
private:
	B()
	{}
	B(const B& a) = delete;
	B& operator=(const B& a) = delete;
	map<string, string> _dict;
	int _n = 0;
	static B* _inst;
};
B* B::_inst = nullptr;
int main()
{
	B::GetInstance()->Add("sort", "排序");
	B::GetInstance()->Add("left", "左边");
	B::GetInstance()->Add("right", "右边");
	B::GetInstance()->Print();
	return 0;
}

执行，

既然我们是new出一个对象，该资源怎么释放呢？其实new的懒汉对象一般不需要释放，进程正常结束会释放资源。（这里是指系统在进程结束后释放资源）

那么如果进程不结束，或者要提前释放资源，或者要在main()函数结束后释放资源呢？

我们可以定义一个释放资源的函数，外部可以直接调用释放的，

cpp 复制代码 
static void DelInstance()
{
	if (_inst)
	{
		delete _inst;
		_inst = nullptr;
	}
}

这样我们可以随时调用这个函数释放资源。

同时我们可以定义一个内部类，以及声明一个该类的静态成员变量，然后在类外定义这个变量。内部类的析构函数封装DelInstance()，这样在main()函数运行结束后，编译器会调用内部类静态全局变量的析构函数，也可以达到清理外部类申请资源的作用。

cpp 复制代码 
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;
			cout << "delete" << endl;
		}
	}
private:
	B()
	{}
	B(const B& a) = delete;
	B& operator=(const B& a) = 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;
int main()
{
	B::GetInstance()->Add("sort", "排序");
	B::GetInstance()->Add("left", "左边");
	B::GetInstance()->Add("right", "右边");
	B::GetInstance()->Print();
	return 0;
}

运行，

我们没有显示调用 DelInstance()，但还是释放资源了。

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