【C++】特殊类的设计、单例模式以及Cpp类型转换

pp-周子晗（努力赶上课程进度版）2025-04-23 15:30

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上篇文章： C++ 智能指针使用，以及shared_ptr编写

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特殊类的设计

请设计一个类，不能被拷贝

请设计一个类，只能在堆上创建对象

请设计一个类，只能在栈上创建对象

请设计一个类，不能被继承

[请设计一个类，只能创建一个对象(单例模式）](#请设计一个类，只能创建一个对象(单例模式）)

设计模式：

单例模式：

饿汉模式

懒汉模式

C++的类型转换

C语言中的类型转换

CPP中类型转换

为什么C++需要四种类型转换

隐式类型转换

[示例：内置类型 -> 自定义类型](#示例：内置类型 -> 自定义类型)

[示例：自定义类型 -> 内置类型](#示例：自定义类型 -> 内置类型)

自定义类型和自定义类型之间的转换

隐式类型转换的坑：

C++强制类型转换

static_cast（对应之前的隐式类型转换）

reinterpret_cast（对应的之前的显式类型转换）

const_cast

dynamic_cast（专门争对C++设计的，向下转换）

RTTI（了解）运行时类型识别

特殊类的设计

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。

线程不能被拷贝，IO流（IO流中的缓冲区不拷贝）不能被拷贝

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。

C++11：

请设计一个类，只能在堆上创建对象

实现方式：

  1. 将类的构造函数私有，拷贝构造声明成私有。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* CreateObject()
	{
		return new HeapOnly;//智能在堆上new
	}
private:
	HeapOnly() {}
	// C++98
	// 1.只声明,不实现。因为实现可能会很麻烦，而你本身不需要
	// 2.声明成私有
	HeapOnly(const HeapOnly&);
	
	// or
// C++11
	HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
	HeapOnly& operator=(const HeapOnly&) = delete;

};

调用成员函数需要对象，因此将函数指定为static让其只属于类，不属于对象

cpp 复制代码 
	//调用成员函数需要对象，因此将函数指定为static让其只属于类，不属于对象
	HeapOnly* obj4 = HeapOnly::CreateObject();

第一种办法：

为了防止调用拷贝构造，因此将拷贝构造也设置为私有，或者使用C++11的方法，直接封掉拷贝构造

cpp 复制代码 
	HeapOnly obj5(*obj4);

一般封了拷贝构造，将赋值也封上，避免发生浅拷贝。

第二种方法：

将析构私有化（让析构无法自动调用）：再自己写函数显示调用自己写的释放指针函数：

cpp 复制代码 
class HeapOnly
{
public:
	void Release()
	{
		delete this;
	}
private:

	~HeapOnly()
	{ }
};

请设计一个类，只能在栈上创建对象

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

cpp 复制代码 
class StackOnly
{
public:
	static StackOnly CreateObj()
	{
		return StackOnly();
	}
	// 禁掉operator new可以把下面用new 调用拷贝构造申请对象给禁掉
	// StackOnly obj = StackOnly::CreateObj();
	// StackOnly* ptr3 = new StackOnly(obj);
	void* operator new(size_t size) = delete;
	void operator delete(void* p) = delete;
private:
	StackOnly()
		:_a(0)
	{
	}
private:
	int _a;
};

请设计一个类，不能被继承

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
{
    // ....
};

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》。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。

设计模式举例：

单例模式

迭代器模式

适配器模式

观察者

工厂

单例模式：

一个类只能创建一个对象 ，即单例（单实例）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

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。

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。
饿汉（很饥饿，极早就创建对象）模式 : 一开始就(main函数之前)就创建对象
问题1：很多单例类，都是饿汉模式，有些单例对象初始化资源很多，导致程序启动慢，迟迟进不了main函数
问题2：如果两个单例类有初始化依赖关系，饿汉也无法解决。比如A类和B类是单例，A单例要连接数据库，B单例要用A单例访问数据库。

示例代码:

cpp 复制代码 
 //饿汉（很饥饿，极早就创建对象）模式 : 一开始就(main函数之前)就创建对象
 //问题1：很多单例类，都是饿汉模式，有些单例对象初始化资源很多，导致程序启动慢，迟迟进不了main函数
 //如果两个单例类有初始化依赖关系，饿汉也无法解决。比如A类和B类是单例，A单例要连接数据库，B单例要用A单例访问数据库
class ConfigInfo
{
public:
	static ConfigInfo* GetInstance()
	{
		return &_sInfo;//可以用指针也能用引用（看需求）
	}

	string GetIp()
	{
		return _ip;
	}

	void SetIp(const string& ip)
	{
		_ip = ip;
	}

private:
	//1.私有化构造函数
	ConfigInfo()
	{
		cout << "ConfigInfo()" << endl;
	}
	//2.把拷贝构造和赋值封掉
	ConfigInfo(const ConfigInfo&) = delete;
	ConfigInfo& operator=(const ConfigInfo&) = delete;
private:
	string _ip = "127.0.0.1";//存网络ip
	int _port = 80;//端口
	//...

	// 声明 
	static ConfigInfo _sInfo;//受类域的限制，但实际上在静态区，这里只是一个声明，需要在类外面定义
};

// 定义
ConfigInfo ConfigInfo::_sInfo;
int main()
{
	//ConfigInfo info;
	cout << ConfigInfo::GetInstance() << endl;

	ConfigInfo::GetInstance()->SetIp("192.22.1.13");
	cout << ConfigInfo::GetInstance()->GetIp() << endl;

	return 0;
}

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

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。
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。

懒汉就是第一次调用时，创建单例对象

cpp 复制代码 
//懒汉完美解决上面饿汉存在的问题
class ConfigInfo
{
public:
	static ConfigInfo* GetInstance()
	{
		static ConfigInfo info;//定义一个局部的静态对象
		return &info;
	}

	string GetIp()
	{
		return _ip;
	}

	void SetIp(const string& ip)
	{
		_ip = ip;
	}

private:
	//1.私有化构造函数
	ConfigInfo()
	{
		cout << "ConfigInfo()" << endl;
	}
	//2.把拷贝构造和赋值封掉
	ConfigInfo(const ConfigInfo&) = delete;
	ConfigInfo& operator=(const ConfigInfo&) = delete;
private:
	string _ip = "127.0.0.1";//存网络ip
	int _port = 80;//端口
	//...
};


int main()
{
	//ConfigInfo info;
	cout << ConfigInfo::GetInstance() << endl;
	cout << ConfigInfo::GetInstance() << endl;
	cout << ConfigInfo::GetInstance() << endl;

	ConfigInfo::GetInstance()->SetIp("192.22.1.13");
	cout << ConfigInfo::GetInstance()->GetIp() << endl;

	return 0;
}

缺点是：在C++11前，局部static对象构造，有线程安全的风险

C++11之前的解决办法：仍然在第一次调用的时候再创建

cpp 复制代码 
class ConfigInfo
{
public:
	static ConfigInfo* GetInstance()
	{
		if (_spInfo == nullptr)
		{
			_spInfo = new ConfigInfo;
		}

		return _spInfo;
	}

	string GetIp()
	{
		return _ip;
	}

	void SetIp(const string& ip)
	{
		_ip = ip;
	}

private:
	//1.私有化构造函数
	ConfigInfo()
	{
		cout << "ConfigInfo()" << endl;
	}
	//2.把拷贝构造和赋值封掉
	ConfigInfo(const ConfigInfo&) = delete;
	ConfigInfo& operator=(const ConfigInfo&) = delete;
private:
	string _ip = "127.0.0.1";//存网络ip
	int _port = 80;//端口
	//...

	// 定义一个静态指针
	static ConfigInfo* _spInfo;//受类域的限制，但实际上在静态区，这里只是一个声明，需要在类外面定义
};

ConfigInfo* ConfigInfo::_spInfo = nullptr;
int main()
{
	//ConfigInfo info;
	cout << ConfigInfo::GetInstance() << endl;
	cout << ConfigInfo::GetInstance() << endl;
	cout << ConfigInfo::GetInstance() << endl;

	ConfigInfo::GetInstance()->SetIp("192.22.1.13");
	cout << ConfigInfo::GetInstance()->GetIp() << endl;

	return 0;
}

现在还不能避免多线程调用的线程安全的问题：

如果两个线程都来，t1先来正在new的时候，t2判断了_spInfo为空，也要开始new，t1已经new完了，赋值给了_spInfo，最怕的是，t2时间片到了，开始在判断后的地方休眠，t1继续执行，并且已经SetIp()，t2醒了，又开始new，将t1申请的全给覆盖，导致内存泄漏。因此需要加锁 。

注意静态成员函数，只能访问静态的成员变量，因此mutex的对象也要设置成静态的：

注意看注释

cpp 复制代码 
class ConfigInfo
{
public:
	static ConfigInfo* GetInstance()
	{
		//加锁t1、t2只能一个进判断，保证只会new一个对象
		//单单只这样写，会导致，已经创建好对象了，但是每次调用GetInstance的时候都需要再被加锁
	/*	unique_lock<mutex> lock(_mtx);
		if (_spInfo == nullptr)
		{
			_spInfo = new ConfigInfo;
		}*/
		//因为不能直接将锁加载if判断内，这仍然会导致线程安全，要的就是，每个线程都得判断对象是否创建
		//解决办法：多写一层
		if (_spInfo == nullptr)
		{
			unique_lock<mutex> lock(_mtx);
			if (_spInfo == nullptr)
			{
				_spInfo = new ConfigInfo;
			}
		}
		

		return _spInfo;
	}

	string GetIp()
	{
		return _ip;
	}

	void SetIp(const string& ip)
	{
		_ip = ip;
	}

private:
	//1.私有化构造函数
	ConfigInfo()
	{
		cout << "ConfigInfo()" << endl;
	}
	//2.把拷贝构造和赋值封掉
	ConfigInfo(const ConfigInfo&) = delete;
	ConfigInfo& operator=(const ConfigInfo&) = delete;
private:
	string _ip = "127.0.0.1";//存网络ip
	int _port = 80;//端口
	//...

	// 定义一个静态指针
	static ConfigInfo* _spInfo;//受类域的限制，但实际上在静态区，这里只是一个声明，需要在类外面定义
	static mutex _mtx;
};

ConfigInfo* ConfigInfo::_spInfo = nullptr;
mutex ConfigInfo::_mtx;
int main()
{
	//ConfigInfo info;
	cout << ConfigInfo::GetInstance() << endl;
	cout << ConfigInfo::GetInstance() << endl;
	cout << ConfigInfo::GetInstance() << endl;

	ConfigInfo::GetInstance()->SetIp("192.22.1.13");
	cout << ConfigInfo::GetInstance()->GetIp() << endl;

	return 0;
}

C++的类型转换

C语言中的类型转换

在C语言中，如果赋值运算符左右两侧类型不同，或者形参与实参类型不匹配，或者返回值类型与接收返回值类型不一致时，就需要发生类型转化，C语言中总共有两种形式的类型转换：隐式类型转换和显式类型转换。

  1. 隐式类型转化：编译器在编译阶段自动进行，能转就转，不能转就编译失败

  2. 显式类型转化：需要用户自己处理

隐式类型转换一般是**类型关联度紧密（像是指针和double不能转换）**的就能转，整形、浮点型、char（ASCII码）之间就能互相隐式类型转。

显式（强制）类型转换一般就是任意指针之间，整形（数据大小）和指针（字节编号）之间

示例：

cpp 复制代码 
	// 隐式类型转换
	double d = i;
	printf("%d, %.2f\n", i, d);
	int* p = &i;

	// 显示的强制类型转换
	int address = (int)p;
	printf("%p, %d\n", p, address);

缺陷：

转换的可视性比较差，所有的转换形式都是以一种相同形式书写，难以跟踪错误的转换

CPP中类型转换

为什么C++需要四种类型转换

C风格的转换格式很简单，但是有不少缺点的：

  1. 隐式类型转化有些情况下可能会出问题：比如数据精度丢失

  2. 显式类型转换将所有情况混合在一起，代码不够清晰

因此C++提出了自己的类型转化风格，注意因为C++要兼容C语言，所以C++中还可以使用C语言的转化风格。

隐式类型转换

示例：

仍然支持有一定关联的类型的类型转换

1.C++内置类型支持转换为自定义类型

2.C++自定义类型支持转换成内置类型

单参数的构造函数支持隐式类型的转换

示例：内置类型 -> 自定义类型

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	A(int a1):_a1(a1)
	{}

	A(int a1, int a2):_a1(a1), _a2(a2)
	{}
private:
	int _a1 = 1;
	int _a2 = 1;
};
cpp 复制代码 
// 内置类型 -> 自定义类型
A aa1 = 1;
// C++11
A aa2 = {2,2};

示例：自定义类型 -> 内置类型

默认是不支持的，我们需要重载operator int

cpp 复制代码 
int x = aa1;
cout << x << endl;

想转什么类型就写什么类型： 这里想转成int，因此就写int

cpp 复制代码 
    operator int()
	{
		return _a1 + _a2;
	}

在OJ当中会遇到这样的写法：

cpp 复制代码 
while (cin>>x)

{
	cout << x << endl;
}

原理是：

cpp 复制代码 
	while (cin>>x)
	while (cin.operator>>(x))
	while (cin.operator>>(x).operator bool())
	{
		cout << x << endl;
	}

如果想要输入string呢？

cpp 复制代码 
	string str;
	while (cin>>str)
	{
		cout << str << endl;
	}

自定义类型和自定义类型之间的转换

比如我现在有一个B类型，正常情况下：能否将B类型转为A类型，不可以，强制类型转换也不可以

cpp 复制代码 
class B
{
public:


private:
	int _b1;
};

解决办法：用构造函数来支持相关的转换

cpp 复制代码 
class B
{
public:
	B(const A& aa)
		:_b1(aa.get())
	{
	}

private:
	int _b1;
};
cpp 复制代码 
	B bb = aa1;

就能支持了（实际上，我们模拟写const iterator和普通iterator时，就用的这个方法）

隐式类型转换的坑：

cpp 复制代码 
// 隐式类型转换的坑
void Insert(size_t pos)
{
	int end = 10;
	while (end >= pos)
	{
		cout << end << endl;
		--end;
	}
}
//
int main()
{
	Insert(5);
	Insert(0);

	return 0;
}

运行结果：由于隐式类型转换导致的死循环，原因是因为，这里的int被隐式类型转换为unsize_int

C++强制类型转换

标准C++为了加强类型转换的可视性，引入了四种命名的强制类型转换操作符： static_cast、reinterpret_cast、const_cast、dynamic_cast

static_cast（对应之前的隐式类型转换）

static_cast用于非多态类型的转换（静态转换），编译器隐式执行的任何类型转换都可用static_cast，但它不能用于两个不相关的类型进行转换。

cpp 复制代码 
	int i = 1;
	// 隐式类型转换 : static_cast
	double d = static_cast<double>(i);
	printf("%d, %.2f\n", i, d);
	int* p = &i;
	// error C2440: "static_cast": 无法从"int *"转换为"int"
	// int address1 = static_cast<int>(p);

reinterpret_cast（对应的之前的显式类型转换）

reinterpret_cast操作符通常为操作数的位模式提供较低层次的重新解释，用于将一种类型转换为另一种不同的类型

示例：

cpp 复制代码 
	// 显示的强制类型转换 : reinterpret_cast
	int address = reinterpret_cast<int>(p);
	printf("%p, %d\n", p, address);

之前不支持的还是不会支持

cpp 复制代码 
	// 类型强制转换": 无法从"int *"转换为"double"
	// double x = (double)p;
	// 类型强制转换": 无法从"int *"转换为"double"
	//double x = reinterpret_cast<double> p;

const_cast

const_cast最常用的用途就是删除变量的const属性，方便赋值

示例：

cpp 复制代码 
	const int a = 1;//a不是存在常量区的，还是在栈上的（常变量
	// a++;
	int x = 0;

	cout << &a << endl;
	cout << &x << endl;

是可以修改的，间接修改：

cpp 复制代码 
	int* ptr = (int*)&a;
	(*ptr)++;
	cout << *ptr << endl;
	cout << a << endl;

为啥用*ptr间接去访问拿到的是2，直接访问a又拿到的是1

但是又通过监视窗口，又会发现：a已经被修改了，为什么却打印1。

这是因为编译器的优化，第一种是因为：a是const修饰了的，不会被改变，把a存在寄存器中，寄存器中的a值没有被改变，内存变了，但是取值是直接从寄存器中拿。

第二种是：a直接被替换成 1，类似于宏，在编译的时候被替换

这个时候就可以在定义a的时候加一个关键字：volatile，稳定的。告诉编译器别优化，每次都到内存当中取

cpp 复制代码 
	volatile const int a = 1;

运行结果:

因此增加一个const_cast ，来显式告诉自己，a的const属性已经被去掉了，他已经可以被改变了，提醒要加上volatile：

cpp 复制代码 
	int* ptr = const_cast<int*>(&a);

示例：这种情况用哪一种隐式类型转换方式

cpp 复制代码 
	A aa1 = static_cast<A>(1);

这是单参数的构造函数，还是应该走隐式类型的转换因此使用 static_cast ，reinterpret_cast是显式类型转换。

dynamic_cast（专门争对C++设计的，向下转换）

dynamic_cast用于将一个父类对象的指针/引用转换为子类对象的指针或引用(动态转换)

向上转型： 子类对象指针/引用->父类指针/引用(是天然的，不会产生临时对象，切片父类，不需要转换，赋值兼容规则)

向下转型： 父类对象指针/引用 ->子类指针/引用(用dynamic_cast转型是安全的)

注意：

  1. dynamic_cast只能用于父类含有虚函数的类

  2. dynamic_cast会先检查是否能转换成功，能成功则转换，不能则****返回0

示例：

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	virtual void f() {}

	int _a1 = 1;
};

class B : public A
{
public:
	int _b1 = 1;
};

void fun(A* pa)
{
	// 无差别转换，存在一定风险
	B* pb = (B*)pa;
	cout << pb << endl;
	//pb->_b1++;
}

int main()
{
	A a;
	B b;
	fun(&a);
	fun(&b);

	return 0;
}

这样转换是有风险，我们分别给A、B成员_a1,_b1，pa指针有可能只想A对象也有可能指向B对象，如果原本就指向B对象，将你强转成B是没有问题的。转换的时候，现在就指向整个B。如果原来指向A，转成B之后，会多看一部分，但是那一部分并不属于pb，越界。

因此C++设计了dynamic_cast来动态转换：

不是无差别转换，他会检查pa原本指向什么对象，如果指向B对象，转换成功，如果指向A对象，转换失败，返回空。能识别是指向父类还是子类。

cpp 复制代码 
void fun(A* pa)
{
	// pa指向B对象，转换成功
	// pa指向A对象，转换失败，返回空

	B* pb = dynamic_cast<B*>(pa);
	if (pb)
	{
		cout << pb << endl;
		pb->_b1++;
	}
	else
	{
		cout << "转换失败" << endl;
	}
}

RTTI（了解）运行时类型识别

RTTI：Run-time Type identification的简称，即：运行时类型识别。C++通过以下方式来支持RTTI：

  1. typeid运算符

  2. dynamic_cast运算符

  3. decltype

复习RAII是什么： 把一个资源交给一个对象管理，可能是动态开辟的资源，或者锁，当生命周期到了自动调用析构函数，解锁、释放资源

结语：

随着这篇博客接近尾声，我衷心希望我所分享的内容能为你带来一些启发和帮助。学习和理解的过程往往充满挑战，但正是这些挑战让我们不断成长和进步。我在准备这篇文章时，也深刻体会到了学习与分享的乐趣。

在此，我要特别感谢每一位阅读到这里的你。是你的关注和支持，给予了我持续写作和分享的动力。我深知，无论我在某个领域有多少见解，都离不开大家的鼓励与指正。因此，如果你在阅读过程中有任何疑问、建议或是发现了文章中的不足之处，都欢迎你慷慨赐教 。

你的每一条反馈都是我前进路上的宝贵财富。同时，我也非常期待能够得到你的点赞、收藏，关注这将是对我莫大的支持和鼓励。当然，我更期待的是能够持续为你带来有价值的内容。

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