C++特殊类设计

Bladeξ2025-03-13 18:15

目录

一、设计一个不能被拷贝的类

二、设计一个只能在堆上创建对象的类

三、设计一个只能在栈上创建对象的类

四、设计一个不能被继承的类

五、请设计一个类，只能创建一个对象(单例模式)

饿汉模式

懒汉模式

一、设计一个不能被拷贝的类

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 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&);
	//...
};
  • 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
  • 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 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;
//	//...
//};

class CopyBan
{
private:
    int* data;  // 假设我们有一个指向动态分配内存的指针

public:
    CopyBan(int value) : data(new int(value)) {}  // 构造函数
    ~CopyBan() { delete data; }  // 析构函数，释放内存

    CopyBan(const CopyBan&) = delete;  // 禁止拷贝构造函数
    CopyBan& operator=(const CopyBan&) = delete;  // 禁止拷贝赋值

    // 提供移动构造函数和移动赋值运算符
    CopyBan(CopyBan&& other) noexcept : data(other.data) {
        other.data = nullptr;  // 释放原对象的资源
    }

    CopyBan& operator=(CopyBan&& other) noexcept {
        if (this != &other) {
            delete data;  // 释放当前对象的资源
            data = other.data;
            other.data = nullptr;  // 清空原对象的指针
        }
        return *this;
    }

    void printData() const { std::cout << *data << std::endl; }
};

int main() {
    CopyBan obj1(10);
    // CopyBan obj2 = obj1;  // 错误：拷贝构造函数被删除
    CopyBan obj3(20);
    // obj3 = obj1;  // 错误：拷贝赋值运算符被删除

    CopyBan obj4 = std::move(obj1);  // 移动构造，合法
    obj3 = std::move(obj4);  // 移动赋值，合法

    obj3.printData();  // 输出 10

    return 0;
}

二、设计一个只能在堆上创建对象的类

实现方式：

  1. 私有构造函数：

    • HeapOnly() 是私有的，意味着外部代码无法直接通过 HeapOnly obj; 创建对象。这样做的目的是防止类的对象在栈上被创建，从而只能通过 CreateObject() 方法在堆上动态分配内存。

  2. 禁止拷贝构造：

    • 在 C++98 中，你可以通过声明拷贝构造函数但不实现它来禁止拷贝构造。这样，编译器将无法生成该类的拷贝构造函数，也就无法拷贝对象。
    • 在 C++11 中，可以通过 HeapOnly(const HeapOnly&) = delete; 来显式删除拷贝构造函数。这样编译器会拒绝任何拷贝构造的尝试。

  3. 静态工厂方法：

    • CreateObject() 是一个静态成员函数，用于在堆上动态创建 HeapOnly 对象。它返回指向新分配内存的指针，这保证了对象只能通过该方法创建，而不能直接通过构造函数创建。
cpp 复制代码 
#include <iostream>

class HeapOnly
{
public:
    static HeapOnly* CreateObject()
    {
        return new HeapOnly;
    }

private:
    HeapOnly() {}

    // 禁止拷贝构造函数
    HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
};

int main()
{
    // 只能通过 CreateObject 来创建对象
    HeapOnly* obj = HeapOnly::CreateObject();

    // 不能通过拷贝构造来创建对象，会编译错误
    // HeapOnly obj2 = *obj;  // 编译错误：拷贝构造函数被删除

    delete obj;  // 手动释放堆上分配的内存
    return 0;
}

三、设计一个只能在栈上创建对象的类

同上将构造函数私有化，然后设计静态方法创建对象返回即可

  1. 静态工厂方法 CreateObj：

    • CreateObj() 方法是静态的，它创建并返回一个 StackOnly 类型的对象。通过返回一个栈对象，它保证了对象只能在栈上创建。注意，这种方式仅适用于栈对象的创建。

  2. 禁用 operator new 和 operator delete：

    • void* operator new(size_t size) = delete; 禁用 new 操作符。这意味着无法使用 new 在堆上创建 StackOnly 对象。任何尝试 new StackOnly() 的代码都会导致编译错误。
    • void operator delete(void* p) = delete; 禁用 delete 操作符，进一步确保无法删除通过 new 创建的 StackOnly 对象，因为 delete 操作符被禁用。

  3. 私有化构造函数：

    • 构造函数 StackOnly() 是私有的，因此外部无法直接创建 StackOnly 对象。它只能通过静态方法 CreateObj() 来创建，保证了对象的创建逻辑。

  4. 私有成员 _a：

    • 这是一个简单的私有成员变量 _a，用于演示该类的内部状态，实际上并不会影响禁用堆分配的行为。
cpp 复制代码 
class StackOnly
{
public:
    // 静态工厂方法，返回栈上的对象
    static StackOnly CreateObj()
    {
        return StackOnly();
    }

    // 禁用 operator new 和 operator delete，防止堆分配
    void* operator new(size_t size) = delete;
    void operator delete(void* p) = delete;

private:
    // 私有构造函数，防止外部直接创建对象
    StackOnly() : _a(0) {}

private:
    int _a; // 内部状态
};

四、设计一个不能被继承的类

C++98方式

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

C++11方法

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。使用设计模式的目的是为了代码可重用性、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

程序启动时就创建一个唯一的实例对象，不管以后是否会使用

cpp 复制代码 
// 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。
class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		return &m_instance;
	}
private:
	// 构造函数私有
	Singleton() {};
	// C++98 防拷贝
	Singleton(Singleton const&);
	Singleton& operator=(Singleton const&);
	// or
	// C++11
	Singleton(Singleton const&) = delete;
	Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;
	static Singleton m_instance;
};
Singleton Singleton::m_instance; // 在程序入口之前就完成单例对象的初始化

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

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，如果该对象程序运行时不会用到，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
// 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
#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) {
			m_mtx.lock();
			if (nullptr == m_pInstance) {
				m_pInstance = new Singleton();
			}
			m_mtx.unlock();
		}
		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:
	// 构造函数私有
	Singleton() {};
	// 防拷贝
	Singleton(Singleton const&);
	Singleton& operator=(Singleton const&);
	static Singleton* m_pInstance; // 单例对象指针
	static mutex m_mtx; //互斥锁
};
Singleton* Singleton::m_pInstance = nullptr;
Singleton::CGarbo Garbo;
mutex Singleton::m_mtx;
int main()
{
	thread t1([] {cout << &Singleton::GetInstance() << endl; });
	thread t2([] {cout << &Singleton::GetInstance() << endl; });
	t1.join();
	t2.join();
	cout << &Singleton::GetInstance() << endl;
	cout << &Singleton::GetInstance() << endl;
	return 0;
}
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