【C++】特殊类设计

小wanga2025-01-08 17:04

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👉设计一个不能被拷贝的类👈

拷贝只会发生在两个场景中：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的做法是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，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函数内部拷贝了。

C++11的做法是C++11扩展了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;
	// ...
};

👉设计一个只能在堆上创建对象的类👈

实现方式：

  1. 析构函数私有，提供一个释放资源的接口即可。因为程序结束时，会调用对象的析构函数来完成资源的释放，所以在栈区或者静态区上创建的对象无法调用析构函数，而在堆区的对象可以调用释放资源的接口完成资源的释放。
  2. 将类的构造函数私有和拷贝构造声明成私有，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对堆对象的创建。
cpp 复制代码 
class HeapOnly
{
public:
	static void Delete1(HeapOnly* p)
	{
		delete p;
	}
	void Delete2()
	{
		delete this;
	}
private:
	// 析构函数私有
	~HeapOnly()
	{
		cout << "~HeapOnly" << endl;
	}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	//HeapOnly hp1;
	//static HeapOnly hp2;
	HeapOnly* ptr1 = new HeapOnly;
	HeapOnly::Delete1(ptr1);
	HeapOnly* ptr2 = new HeapOnly;
	ptr2->Delete2();

	return 0;
}
cpp 复制代码 
class HeapOnly
{
public:
	static HeapOnly* CreateObj()
	{
		return new HeapOnly;
	}

	// 防拷贝
	HeapOnly(const HeapOnly& hp) = delete;
	HeapOnly& operator=(const HeapOnly& hp) = delete;

private:
	// 构造函数私有
	HeapOnly()
		: _a(0);
	{}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	//HeapOnly hp1;
	//static HeapOnly hp2;

	HeapOnly* ptr1 = HeapOnly::CreateObj();
	delete ptr1;
	// HeapOnly copy(*ptr1);

	return 0;
}

👉设计一个只能在栈上创建对象的类👈

将构造函数私有化，然后设计静态方法创建对象返回即可。因为返回的是临时对象，存在拷贝构造，所以不能将构造函数删除掉。所以就无法限制在静态区上创建对象。而不能在堆上创建对象可以通过删除 operator new 函数来实现。

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

	//	// 不能防拷贝
	//	StackOnly(const StackOnly& hp) = delete;
	//	StackOnly& operator=(const StackOnly& hp) = delete;

	// 限制在堆上创建对象
	void* operator new(size_t n) = delete;

private:
	// 构造函数私有
	StackOnly()
		: _a(0)
	{}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	StackOnly st1 = StackOnly::CreateObj();

	// 拷贝构造
	static StackOnly copy1(st1);	// 无法限制在静态区上创建对象
	//static StackOnly* copy2 = new StackOnly(st1);

	return 0;
}

👉设计一个不能被继承的类👈

C++98 的做法是将构造函数私有化，派生类中调不到基类的构造函数。则无法继承。而 C++ 11 的做法是 final 关键字修饰类，表示该类不能被继承。

cpp 复制代码 
class NonInherit
{
public:
	static NonInherit GetInstance()
	{
		return NonInherit();
	}
private:
	NonInherit()
	{}
};

👉设计只能创建一个对象的类👈

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。

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，饿汉模式和懒汉模式。

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。在 main 函数之前就创建出对象。

cpp 复制代码 
// 饿汉模式：在main函数之前就创建对象
class MemoryPool
{
public:
	static MemoryPool* GetInstance()
	{
		return _pinst;
	}

	void* Alloc(size_t n)
	{
		void* ptr = nullptr;
		// ...
		return ptr;
	}

	void Dealloc(void* ptr)
	{
		// ...
	}

	// 防拷贝
	MemoryPool(const MemoryPool& mp) = delete;
	MemoryPool& operator=(const MemoryPool& mp) = delete;

private:
	// 构造函数私有化
	MemoryPool()
	{}

	char* _ptr = nullptr;
	// ...

	static MemoryPool* _pinst;	// 声明
};

// 定义：在程序入口之前就完成单例对象的初始化
MemoryPool* MemoryPool::_pinst = new MemoryPool;

int main()
{
	void* ptr1 = MemoryPool::GetInstance()->Alloc(10);
	MemoryPool::GetInstance()->Dealloc(ptr1);

	return 0;
}

饿汉模式的优点：简单、没有线程安全问题；缺点：1.一个程序中有多个单例，并且有先后创建初始化顺序要求时，饿汉模式无法控制单例对象初始化的先后顺序。2.饿汉单例类对象初始化时任务多，会影响程序启动速度。

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 
// 懒汉模式：第一次使用对象时再创建实例对象
class MemoryPool
{
public:
	static MemoryPool* GetInstance()
	{
		if (_pinst == nullptr)
		{
			_pinst = new MemoryPool;
		}
		return _pinst;
	}

	void* Alloc(size_t n)
	{
		void* ptr = nullptr;
		// ...
		return ptr;
	}

	void Dealloc(void* ptr)
	{
		// ...
	}

	// 实现一个内嵌垃圾回收类
	class CGarbo 
	{
	public:
		~CGarbo() 
		{
			if (_pinst)
				delete _pinst;
		}
	};

	// 防拷贝
	MemoryPool(const MemoryPool& mp) = delete;
	MemoryPool& operator=(const MemoryPool& mp) = delete;

private:
	// 构造函数私有化
	MemoryPool()
	{}

	char* _ptr = nullptr;
	// ...

	static MemoryPool* _pinst;	// 声明
};

// 定义：在程序入口之前就完成单例对象的初始化
MemoryPool* MemoryPool::_pinst = nullptr;
// 回收对象,main函数结束后,它会调用析构函数释放单例对象
static MemoryPool::CGarbo cg;	// static修饰则只有当前文件可见

int main()
{
	void* ptr1 = MemoryPool::GetInstance()->Alloc(10);
	MemoryPool::GetInstance()->Dealloc(ptr1);

	return 0;
}

懒汉模式的优点：

  1. 多个单例实例启动顺序可以自由控
    制。
  2. 不影响启动速度。缺点：相对复杂，需要处理好线程安全问题。

单例对象的释放问题

  1. 一般情况下，单例对象是不需要释放的。因为整个程序运行期间都可能使用它，单例对象在进程正常结束后，也会释放资源。
  2. 有些特殊场景需要释放，比如：单例对象析构时，要进行一些持久化（往文件、数据库写数据等）操作。
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