【C++】--- 特殊类设计

9ilk2025-12-15 23:08

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(๑•́ ₃ •̀๑) 文章专栏： C++

本篇博客主要是对常见特殊类的设计进行梳理总结

设计一个类不能被拷贝

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

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

cs 复制代码 
class copyban
{
public: //让拷贝构造为私有
    copyban(int data  = 1)
      :_data(data)
    {}
private:
    copyban(const copyban& cb);
    copyban& operator=(const copyban& cb);
    int _data = 1;
};

说明：

  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思，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的语法，delete除了释放new申请的资源之外，如果在默认成员函数后跟上=delete，表示让编译器释放掉该默认成员函数。

cpp 复制代码 
class Copyban
{
public: //让拷贝构造为私有
    Copyban(int data = 1)
        :_data(data)
    {}
    Copyban(const Copyban& cp) = delete;
    Copyban& operator=(const Copyban& cp) = delete;
private:
    int _data = 1;
};

设计一个只能在堆上创建的类

  • 方式一：挡住前路

  1. 用C++98或C++11的方式将构造函数私有或移除默认构造，防止外部调用构造函数在栈上创建对象

  2. 用C++98或C++11的方式将拷贝构造函数私有或移除默认拷贝构造，防止外部调用构造函数在栈上创建对象

  3. 向外部提供一个静态成员函数，在该函数中完成对堆对象的创建

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

    int Get()
    {
        return _data;
    }
    HeapOnly(const HeapOnly& hp) = delete;
    HeapOnly& operator=(const HeapOnly& hp) = delete;
private:
  
    HeapOnly()
    {
        cout << "Ciallo~" << endl;
    }
    int _data = 1;

};
  • 方式二：挡住后路

  1. 将析构函数私有化，这样调用构造或拷贝构造在栈上创建的对象/静态对象，生命周期自动销毁时就调不了析构

  2. 需要专门为在堆上创建的对象设计一个接口来释放堆上的对象，因为new出来的对象生命周期结束之后不会自动调用析构

cpp 复制代码 
class heaponly
{

public:
    heaponly()
    {

    }
    void destroy()
    {
        delete this;
    }

private:
    ~heaponly()
    {
        cout << " ~heaponly()" << endl;
    }
    int _data = 1;
};

HeapOnly* hp = new HeapOnly;
hp->destroy();

设计一个只能在栈上创建的类

  • 方式一：将构造函数私有化，这样new的时候就调用不了构造函数，但是需要提供一个获取对象的static接口，该接口在栈上创建一个对象然后传值返回
cpp 复制代码 
class StackOnly
{

public:
    static StackOnly CreateObj()
    {
        return StackOnly();//返回一个匿名对象
    }
    StackOnly(const StackOnly&& sp)
    {
        cout << " StackOnly(const StackOnly&& sp)" << endl;
    }

private:
    StackOnly()
    {
        cout << " StackOnly()" << endl;
    }
    int _data = 1;
};

StackOnly s1 = StackOnly::CreateObj();
StackOnly* s2 = new StackOnly(s1); //调用拷贝构造在堆上创建对象

这种方案的缺陷是无法防止外部调用拷贝构造函数创建对象，但是我们不能进行防拷贝，因为这个static接口返回的是一个局部对象，需要进行传值返回，因此需要调用拷贝构造函数

  • 方案二：要想解决方案一的缺陷，就需要ban掉new，我们知道new是由两部分构成的，即operator new和拷贝，因此我们可以将operator new给delete，而不封拷贝构造
cpp 复制代码 
class StackOnly
{

public:
    static StackOnly CreateObj()
    {
        return StackOnly();//返回一个匿名对象
    }
    StackOnly(const StackOnly&& sp)
    {
        cout << " StackOnly(const StackOnly&& sp)" << endl;
    }
    void* operator new(size_t size) = delete;
    void operator delete(void* p) = delete;
    StackOnly(const StackOnly& so) = delete;
private:
    StackOnly()
    {
        cout << " StackOnly()" << endl;
    }
    int _data = 1;
};

//但是静态区的就封不死
StatckOnly s1 = StackOnly::CreatObj();
static StackOnly s2(s1);

但是缺陷又来了，这两个方案都是无法防止外部在静态区拷贝构造创建对象。此时我们可以将拷贝构造给封死，但是提供一个移动构造，此时createObj返回的临时对象被识别为右值，就会调用移动构造

cpp 复制代码 
class StackOnly
{

public:
	static StackOnly CreateObj()
	{
        //编译器可以直接优化，把匿名对象给了接受返回值的对象
		return StackOnly();//返回一个匿名对象
	}
	//一旦你自己声明了拷贝构造函数（不管是正常的还是 =delete），编译器就不会再给你合成移动构造函数了。
	StackOnly(const StackOnly& sp) = delete;
	StackOnly(StackOnly&& sp)
	{
		cout << " StackOnly( StackOnly&& sp)" << endl;
	}
private:
	StackOnly()
	{
		cout << " StackOnly()" << endl;
	}
	int _data = 1;
};

实际上还是存在问题的：

cpp 复制代码 
static StackOnly  s6(std::move(s4));
Stack* s5 = new StackOnly(move(s4))

归其原因是因为createObj是传值返回的，因此是封不死的。

设计一个不能被继承的类

  • C++98：给类的构造函数为私有

主要原理：子类构造函数被调用时，必须调用父类的构造函数初始化父类的那一部分成员，但父类的私有成员在子类中是不可见的，因此该类被继承之后无法创建出对象

cpp 复制代码 
class NonInHerit
{
public:
	static NonInHerit GetInstance()
	{
		return NonInHerit();
	}
private:
	NonInHerit()
	{}
};
  • C++11：C++11中提供了final关键字，被final修饰的类叫做最终类，最终类无法被继承，否则会编译报错
cpp 复制代码 
class A final
{

  //..
}:

设计一个只能创建一个对象的类（单例模式）

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。

单例模式一共有两种实现方式：

  • 懒汉模式
  • 饿汉模式

饿汉模式

饿汉模式的思想是不管你将来用不用，程序启动时就创建一个唯一的实例对象

cpp 复制代码 
class Singleton
{
public:
	static Singleton& GetInstance()
	{
		return _slt;
	}
	//拷贝和赋值私有化
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

private:
	Singleton()
	{
		cout << "Singleton()" << endl;
	}
	static Singleton _slt;
};

Singleton Singleton::_slt;

饿汉模式虽然简单，但是如果这个对象初始化内容较多（比如读文件），此时会导致进程启动慢，同时在要求单例类对象初始化存在依赖关系的场景下，饿汉模式无法保证实例化的启动顺序。一般情况下，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，此时使用饿汉模式来避免资源竞争，提高响应速度更好，因为它在程序运行时就构建好了，运行时不用竞争。

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。懒汉模式的核心思想是用的时候再加载。

cpp 复制代码 
class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		if (nullptr == _slt)
		{
			_slt = new Singleton();
		}
		return _slt;
	}
	//	//拷贝和赋值私有化
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

private:
	Singleton()
	{
		cout << "Singleton()" << endl;
	}
private:
	static Singleton* _slt;
};
Singleton* Singleton::_slt = nullptr;

但是这样是存在线程安全风险的，即有可能多个线程同时发现指针为nullptr，然后同时去new多个对象，不满足单例对象的需求，此时我们需要加锁保证多线程情况相爱只调用一次new：

cpp 复制代码 
class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
        _mtx.lock();
		if (nullptr == _slt)
		{
			_slt = new Singleton();
			
		}
        _mtx.unlock();
		return _slt;
	}
	//	//拷贝和赋值私有化
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
	~Singleton()
	{
		delete _slt;
	}
private:
	Singleton()
	{
		cout << "Singleton()" << endl;
	}
private:
	static Singleton* _slt;
	static std::mutex _mtx; //这里得是静态的不然在静态成员函数无法使用
};
Singleton* Singleton::_slt = nullptr;
std::mutex Singleton::_mtx;

这样难免会造成锁冲突效率较低，即使已经有线程new出对象了，后面都要进行加锁解锁访问同步代码，，因此进一步要采用**double check** 的方式来降低锁冲突的概率以提高性能，即两层判断**静态资源指针是否为空**，在第一次new出对象之后，往后获取就直接返回指针了：

cpp 复制代码 
class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		//double check
		if (nullptr == nullptr)
		{
			_mtx.lock();
			if (nullptr == _slt)
			{
				_slt = new Singleton();

			}
			_mtx.unlock();
		}
		return _slt;
	}
	//	//拷贝和赋值私有化
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
	~Singleton()
	{
		delete _slt;
	}
private:
	Singleton()
	{
		cout << "Singleton()" << endl;
	}
private:
	static Singleton* _slt;
	static std::mutex _mtx; //这里得是静态的不然在静态成员函数无法使用
};
Singleton* Singleton::_slt = nullptr;
std::mutex Singleton::_mtx;

除此之外，由于我们这里单例对象是new出来的，可能U会忘记释放造成内存泄漏，因此我们还可以实现一个内嵌垃圾回收类，当程序结束时就会自动调用它的析构函数释放单例对象：

cpp 复制代码 
class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		//double check
		if (nullptr == nullptr)
		{
			_mtx.lock();
			if (nullptr == _slt)
			{
				_slt = new Singleton();

			}
			_mtx.unlock();
		}
		return _slt;
	}
	//	//拷贝和赋值私有化
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
	~Singleton()
	{
		delete _slt;
	}

	// 实现一个内嵌垃圾回收类    
	class CGarbo {
	public: ~CGarbo() {
		if (Singleton::_slt)
			delete Singleton::_slt;
	}
	};
	// 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:
	Singleton()
	{
		cout << "Singleton()" << endl;
	}
private:
	static Singleton* _slt;
	static std::mutex _mtx; //这里得是静态的不然在静态成员函数无法使用
};
Singleton* Singleton::_slt = nullptr;
std::mutex Singleton::_mtx;
Singleton::CGarbo  CGarbo;

由此可见，懒汉模式虽然可以使进程启动无负载，且多个单例启动顺序自由控制，但是缺点是比较复杂，需要考虑线程安全问题。在C++11之后，支持使用静态局部变量创建对象，C++11保证静态局部对象是线程安全的，而且第一次初始化后，后续生命周期直到程序结束：

cpp 复制代码 
static Singleton& GetInstance()
{
    static Singleton inst;
    return inst;
}
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