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一篇文章带你了解C++特殊类的设计

时间：2023-02-08 08:43:33 | 栏目：C代码 | 点击：次

设计一个类，只能在堆上创建对象

想要的效果实际是没法直接在栈上创建对象。

首先cpp只要创建对象就要调用构造函数，因此先要把构造函数ban掉，把构造函数设计成private。但是单这样自己也创建不了了。

因此提供一个创建的接口，只能调用该接口，该接口内部写new。而且要调用该接口需要先有对象指针调用，而要有对象先得调用构造函数实例化，因此必须设计成静态函数。

但是注意这样还有拷贝函数可以调用HeapOnly copy(*p)。此时生成的也是栈上的对象。因此要拷贝构造私有，并且只声明不实现（实现也是可以的，但是没人用）。这种方式在c++98中叫防拷贝，比如互斥锁。

#include<iostream>
using namespace std;
class HeapOnly
{
private:
	HeapOnly()
	{ }
    //C++98——防拷贝
    HeapOnly(const HeapOnly&);
public:
	static HeapOnly* CreateObj()
	{
		return new HeapOnly;
	}
};
int main()
{
	HeapOnly* p = HeapOnly::CreateObj();
	return 0;
}

对于防拷贝，C++11中有新的方式。函数=delete。

#include<iostream>
using namespace std;
class HeapOnly
{
private:
	HeapOnly()
	{ }
public:
	static HeapOnly* CreateObj()
	{
		return new HeapOnly;
	}
    //C++11——防拷贝
    HeapOnly(const HeapOnly&) =delete;
};
int main()
{
	HeapOnly* p = HeapOnly::CreateObj();
	return 0;
}

总结：

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

设计一个类，只能在栈上创建对象

由于返回临时对象，因此不能禁掉拷贝构造。

class StackOnly 
{ 
    public: 
    static StackOnly CreateObject() 
    { 
        return StackOnly(); 
    }
    private:
    StackOnly() {}
};

因为new在底层调用void* operator new(size_t size)函数，只需将该函数屏蔽掉即可。注意：也要防止定位new。new先调用operator new申请空间，然后调用构造函数。delete先调用析构函数释放对象所申请的空间，再调用operator delete释放申请的对象空间。

class StackOnly 
{ 
    public: 
    StackOnly() {}
    private: //C++98
    void* operator new(size_t size);
    void operator delete(void* p);
};
int main()
{
  	static StackOnly st;//缺陷，没有禁掉静态区的。  
}

class StackOnly 
{ 
    public: 
    StackOnly() {}
    //C++11
    void* operator new(size_t size) = delete;
    void operator delete(void* p) = delete;
};
int main()
{
  	static StackOnly st;//缺陷，没有禁掉静态区的。  
}

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。

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成员函数内部拷贝了。

class CopyBan
{
    // ...
    CopyBan(const CopyBan&)=delete;
    CopyBan& operator=(const CopyBan&)=delete;
    //...
};

设计一个类，不能继承

C++98

// 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()
    {}
};
class B : public NonInherit
{};
int main()
{
    //C++98中这个不能被继承的方式不够彻底,实际是可以继承,限制的是子类继承后不能实例化对象
    B b;
    return 0;
}

C++11为了更直观，加入了final关键字

class A final
{   };
class C: A
{};

设计一个类，只能创建一个对象(单例模式)

之前接触过了适配器模式和迭代器模式。

可以再看看工厂模式，观察者模式等等常用一两个的。

单例模式的概念

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。

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。

1.如何保证全局(一个进程中)只有一个唯一的实例对象

参考只能在堆上创建对象和在栈上创建对象，禁止构造和拷贝构造及赋值。

提供一个GetInstance获取单例对象。

2.如何提供只有一个实例呢？

饿汉模式和懒汉模式。

单例模式的实现

饿汉模式

饿汉模式:程序开始main执行之前就创建单例对象，提供一个静态指向单例对象的成员指针，初始时new一个对象给它。

class Singleton
{
    public:
    	static Singleton* GetInstance()
        {
            return _inst;
        }
    	void Print()
        {
            cout<<"Print() "<<_val<<endl;
        }
    private:
    	Singleton()
        :_val(0)
        {}
    	Singleton(const Singleton& ) =delete;
    	Singleton(const Singleton& ) =delete;
    	static Singleton* _inst;
    	int _val;
};
Singleton* Singleton::_inst = new Singleton;
int main()
{
    cout<<Singleton::GetInstance()<<endl;
    cout<<Singleton::GetInstance()<<endl;
    cout<<Singleton::GetInstance()<<endl;
    Singleton::GetInstance()->Print();
}

懒汉模式

懒汉模式：

懒汉模式出现的原因,单例类的构造函数中要做很多配置初始化工作，那么饿汉就不合适了，会导致程序启动很慢。

linux是Posix的pthread库,windows下有自己的线程库。因此要使用条件编译保证兼容性。因此c++11为了规范提供了语言级别的封装（本质也是条件编译，库里实现了）。

关于保护第一次需要加锁，后面都不需要加锁的场景的可以使用双检查加锁。

#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多线程api
#else
//linux pthread
#endif //
class Singleton
{
    public:
    	static Singleton* GetInstance()
        {
            //保护第一次需要加锁，后面都不需要加锁的场景,可以使用双检查加锁
            //特点:第一次加锁，后面不加锁，保护线程安全，同时提高了效率
            if( _inst == nullptr)
            {
                _mtx.lock();
                if( _inst == nullptr ) 
                {
                    _inst = new Singleton;
                }
                _ntx.unlock();
            }
            return _inst;
        }
    	void Print()
        {
            cout<<"Print() "<<_val<<endl;
        }
    private:
    	Singleton()
        :_val(0)
        {}
    	Singleton(const Singleton& ) =delete;
    	Singleton(const Singleton& ) =delete;
    	static Singleton* _inst;
    	static std::mutex _mtx;
    	int _val;
};
Singleton* Singleton::_inst = nullptr;
std::mutex Singleton::_mtx;//()默认无参构造函数
int main()
{
    Singleton::GetInstance()->Print();
}

饿汉模式和懒汉模式的对比

懒汉模式的优化

实现了”更懒“。

缺点：单例对象在静态区，如果单例对象太大，不合适。再挑挑刺，这个静态对象无法主动控制释放。

#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多线程api
#else
//linux pthread
#endif //
//其他版本懒汉
class Singleton
{
    public:
    	static Singleton* GetInstance()
        {
            static Singleton inst;
            return &inst;
        }
    	void Print()
        {
            cout<<"Print() "<<_val<<endl;
        }
    private:
    	Singleton()
        :_val(0)
        {}
    	Singleton(const Singleton& ) =delete;
    	Singleton(const Singleton& ) =delete;
    	static std::mutex _mtx;
    	int _val;
};
std::mutex Singleton::_mtx;//()默认无参构造函数
int main()
{
    Singleton::GetInstance()->Print();
}
#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多线程api
#else
//linux pthread
#endif //
//其他版本懒汉
class Singleton
{
    public:
    	static Singleton* GetInstance()
        {
            static Singleton inst;
            return &inst;
        }
    	void Print()
        {
            cout<<"Print() "<<_val<<endl;
        }
    private:
    	Singleton()
        :_val(0)
        {}
    	Singleton(const Singleton& ) =delete;
    	Singleton(const Singleton& ) =delete;
    	static std::mutex _mtx;
    	int _val;
};
std::mutex Singleton::_mtx;//()默认无参构造函数
int main()
{
    Singleton::GetInstance()->Print();
}

单例对象的释放

单例对象一般不需要释放。全局一直用的不delete也没问题，进程如果正常销毁，进程会释放对应资源。

单例对象的直接释放

#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多线程api
#else
//linux pthread
#endif //
class Singleton
{
    public:
    	static Singleton* GetInstance()
        {
            //保护第一次需要加锁，后面都不需要加锁的场景,可以使用双检查加锁
            //特点:第一次加锁，后面不加锁，保护线程安全，同时提高了效率
            if( _inst == nullptr)
            {
                _mtx.lock();
                if( _inst == nullptr ) 
                {
                    _inst = new Singleton;
                }
                _ntx.unlock();
            }
            return _inst;
        }
    	static void DelInstance()/*调的很少，可以双检查也可以不双检查*/
        {
            _mtx.lock();
            if(!_inst)
            {
                delete _inst;
                _inst=nullptr;
            }
            _mtx.unlock();
        }
    	void Print()
        {
            cout<<"Print() "<<_val<<endl;
        }
    private:
    	Singleton()
        :_val(0)
        {
          	//假设单例类构造函数中，需要做很多配置初始化   
        }
    	~Singletion()
        {
            //程序结束时，需要处理一下，持久化保存一些数据
        }
    	Singleton(const Singleton& ) =delete;
    	Singleton(const Singleton& ) =delete;
    	static Singleton* _inst;
    	static std::mutex _mtx;
    	int _val;
};
Singleton* Singleton::_inst = nullptr;
std::mutex Singleton::_mtx;//()默认无参构造函数
int main()
{
    Singleton::GetInstance()->Print();
}

内部垃圾回收类

上述场景其实还是可以扩展的。

假设析构函数有一些数据需要保存一下，持久化一下，不调用析构函数会存在问题，因此需要调用析构函数的时候处理。这就得保证main函数结束的时候保证调用析构(private)。

但是显式调用DelInstance可能会存在遗忘。

#include<mutex>
#ifdef _WIN32
//windos 提供多线程api
#else
//linux pthread
#endif //
class Singleton
{
    public:
    	static Singleton* GetInstance()
        {
            //保护第一次需要加锁，后面都不需要加锁的场景,可以使用双检查加锁
            //特点:第一次加锁，后面不加锁，保护线程安全，同时提高了效率
            if( _inst == nullptr)
            {
                _mtx.lock();
                if( _inst == nullptr ) 
                {
                    _inst = new Singleton;
                }
                _ntx.unlock();
            }
            return _inst;
        }
    	void Print()
        {
            cout<<"Print() "<<_val<<endl;
        }
    private:
    	Singleton()
        :_val(0)
        {
          	//假设单例类构造函数中，需要做很多配置初始化   
        }
    	~Singletion()
        {
            //程序结束时，需要处理一下，持久化保存一些数据
        }
    	Singleton(const Singleton& ) =delete;
    	Singleton(const Singleton& ) =delete;
    	//实现一个内嵌垃圾回收类
    	class CGarbo{
            public:
            	~CGarbo()
                {
                    //DelInstance();
                	if(_inst)
                    {
                         delete _inst;
                        _inst = nullptr;
                    }
                }
        }
    	static Singleton* _inst;
    	static std::mutex _mtx;
    	static GCarbo _gc;//定义静态gc对象，帮助我们进行回收
    	int _val;
};
Singleton* Singleton::_inst = nullptr;
std::mutex Singleton::_mtx;//()默认无参构造函数
Singleton::CGarbo Singleton::_gc;
int main()
{
    Singleton::GetInstance()->Print();
}

总结

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