C++ -- 特殊类设计

news2024/11/19 9:35:22

目录

设计一个类，不能被拷贝

C++98的做法

C++11的做法

设计一个类，只能在堆上创建对象

实现方式1

实现方式2

设计一个类，只能在栈上创建对象

实现方式1

方式1的优化

实现方式2

设计一个类，不能被继承

设计模式

什么是设计模式？

单例模式

饿汉模式

懒汉模式 

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的做法

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

class CopyBan
{
	// ...
private:
	//拷贝构造和赋值运算符重载私有
	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调用拷贝了

C++11的做法

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。

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

设计一个类，只能在堆上创建对象

实现方式1

  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
class HeapOnly {
public:
	static HeapOnly* GetObj() {
		return new HeapOnly;
	}
	//C++ 11防拷贝
	HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
private:
	HeapOnly() {}
	 C++98防拷贝
	//HeapOnly(const HeapOnly&){}

};

int main() {
	//HeapOnly hp; // 报错
	//HeapOnly* p = new HeapOnly; // 报错
	 
	HeapOnly* p = HeapOnly::GetObj();
	shared_ptr< HeapOnly> sp1(HeapOnly::GetObj());
	//HeapOnly p = *sp1; // 报错
	return 0;
}

为什么要加上static？

        如果CetObj不加上static，那么在调用该方法就需要在存在对象的基础上才能使用该方法，而该对象默认一定会用构造函数，但是构造函数已经私有化，这就是一个先有鸡还是先有蛋的问题，因此一定要加上static。

实现方式2

  1. 析构函数私有化
  2. 构造函数public显示调用
  3. 新增Destory方法，用来释放堆空间
// 析构私有化
class HeapOnly2
{
public:
	HeapOnly2()
	{}
	void Destory()
	{
		this->~HeapOnly2();
	}
private:
	~HeapOnly2()
	{}

	HeapOnly2(const HeapOnly2&) = delete;
};

int main()
{
	//HeapOnly2 hp; // 报错
	HeapOnly2* p = new HeapOnly2;
	p->Destory();
	HeapOnly2* php1 = new HeapOnly2;
	php1->Destory();

	return 0;
}

设计一个类，只能在栈上创建对象

实现方式1

  1. 将构造函数私有化。
  2. 然后设计静态方法创建对象返回即可。
class StackOnly {
public:
	static StackOnly GetObj() {
		return StackOnly();
	}

private:
	StackOnly() {}
};
int main() {
	//StackOnly hp; // 报错
	//StackOnly* p = new StackOnly; // 报错

	StackOnly p = StackOnly::GetObj();
	//static StackOnly ss; // 报错

	StackOnly obj1 = StackOnly::GetObj();
	static StackOnly obj2(obj1); //可以在静态区拷贝构造对象
	StackOnly* ptr = new StackOnly(obj1); //可以在堆上拷贝构造对象


	return 0;
}

实际上，这种方法也没有彻底的封死，下面这种方式仍然可以在静态区和堆区创建：

StackOnly obj1 = StackOnly::GetObj();
static StackOnly obj2(obj1); //可以在静态区拷贝构造对象
StackOnly* ptr = new StackOnly(obj1); //可以在堆上拷贝构造对象

方式1的优化

因此，需要把拷贝构造封住，防止拷贝，而是直接调用 GetObj()，且 GetObj() 返回值只能是右值对象 如下：

class StackOnly3
{
public:
	static StackOnly3&& GetObj()
	{
		return StackOnly3();
	}

	void Print() const
	{
		cout << "StackOnly::Print()" << endl;
	}
private:
	StackOnly3()
	{}
	StackOnly3(const StackOnly3&) = delete;

};
int main()
{	
	//StackOnly3 hp; // 报错
	//StackOnly3* p = new StackOnly3; // 报错
	//StackOnly3 so1 = StackOnly3::GetObj(); // 报错
	//static StackOnly3 so2 = StackOnly3::GetObj(); // 报错
	//StackOnly3 obj1 = StackOnly3::GetObj(); // 报错
	//static StackOnly3 obj2(obj1); //在静态区拷贝构造对象 报错
	//StackOnly3* ptr = new StackOnly3(obj1); //在堆上拷贝构造对象 报错
	//StackOnly3 p = StackOnly3::GetObj(); // 报错

	StackOnly3::GetObj().Print();
	const StackOnly3& so4 = StackOnly3::GetObj();
	so4.Print();
	return 0;
}

由于GetObj() 中StackOnly3()是局部对象，出了作用域被销毁，因此采用右值引用才可以传出。

右值引用做 GetObj() 返回值可以解决返回对象调用拷贝构造，因为它调用的是默认的移动构造

实现方式2

        屏蔽operator new函数和operator delete函数

//这种方案存在一定程序缺陷，无法阻止在数据段(静态区)创建对象
class StackOnly2 {
public:

	//C++98
	//void* operator new(size_t size);
	//void operator delete(void* p);
	//C++11
	void* operator new(size_t size) = delete;
	void operator delete(void* p) = delete;
};

int main(){
	//StackOnly2* p2 = new StackOnly2; //报错
	static StackOnly2 ss; //可以在静态区构造对象
	StackOnly2 p = StackOnly2();

	return 0;
}

这种方法只能封住堆上的，却无法封住静态的。

所以最好的方式就是用方式一。

设计一个类，不能被继承

  • C++98方式
// 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。

class A  final
{
  // ....
};

设计模式

什么是设计模式？

创建型模式（Creational Patterns）:

  • 工厂方法模式（Factory Method Pattern）
  • 抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）
  • 单例模式（Singleton Pattern）
  • 建造者模式（Builder Pattern）
  • 原型模式（Prototype Pattern）

结构型模式（Structural Patterns）:

  • 适配器模式（Adapter Pattern）
  • 桥接模式（Bridge Pattern）
  • 组合模式（Composite Pattern）
  • 装饰者模式（Decorator Pattern）
  • 外观模式（Facade Pattern）
  • 享元模式（Flyweight Pattern）
  • 代理模式（Proxy Pattern）
     

行为型模式（Behavioral Patterns）:

  • 观察者模式（Observer Pattern）
  • 状态模式（State Pattern）
  • 策略模式（Strategy Pattern）
  • 命令模式（Command Pattern）
  • 职责链模式（Chain of Responsibility Pattern）
  • 迭代器模式（Iterator Pattern）
  • 中介者模式（Mediator Pattern）
  • 备忘录模式（Memento Pattern）
  • 访问者模式（Visitor Pattern）
  • 模板方法模式（Template Method Pattern）
     

并发型模式（Concurrent Patterns）:

  • 信号量模式（Semaphore Pattern）
  • 线程池模式（Thread Pool Pattern）
  • 读写锁模式（Read-Write Lock Pattern）
  • 生产者消费者模式（Producer-Consumer Pattern）

以上仅是一些常见的设计模式，实际上还有其他的设计模式。每个设计模式都有特定的应用场景和解决问题的方式。请注意，在使用设计模式时，应根据具体的需求和情况来选择适当的设计模式。

比如迭代器模式，把复杂的东西给封装好，使用时就可以避免接触复杂的底层结构。

比如配接器模式等等，也是这个意思。

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。

由于全局对象只能有一个，换句话说是获取这个对象，那就需要对构造函数进行操作。

单例模式有两种实现模式：饿汉模式、懒汉模式

饿汉模式

饿汉模式的条件：main函数之前就初始化

设计饿汉模式的步骤：

  1. 将构造函数设成private，以及封死拷贝构造和重载赋值
  2. 定义成员变量，变量类型为static 类型名
  3. 在类外初始化这个单例的对象
  4. 添加其它成员方法
namespace Hungry_man {

	// 饿汉模式 一开始(main函数之前)就创建对象
	class Singleton {
	public:
		static Singleton* GetInstance() {
			return &_inst;
		}

		Singleton(const Singleton&) = delete;
	private:
		Singleton() {};
		static Singleton _inst; //静态对象
	};

	Singleton Singleton::_inst; //在程序入口之前就完成单例对象的初始化
	// static对象是在main函数之前创建的，这会只有主线程，所以不存在线程安全。
	int x() {
		//Singleton s1; // 报错
		//Singleton copy(*Singleton::GetInstance()); // 报错

		cout << Singleton::GetInstance() << endl;
		cout << Singleton::GetInstance() << endl;


		vector<std::thread > vthreads;
		int n = 16;
		for (int i = 0; i < n; ++i) {
			vthreads.push_back(std::thread(
				[]() {
					//cout << std::this_thread::get_id() << ":";
					cout << Hungry_man::Singleton::GetInstance() << endl;
				}
			));
		}
		for (auto& e : vthreads)
		{
			e.join();
		}

		return 0;
	}
}

int main() {
	Hungry_man::x();
	return 0;
}

饿汉模式优缺点

优点：简单
缺点：单例对象初始化数据太多，可能会导致进程启动慢，且如果有多个单例类有初始化依赖关系，饿汉模式无法控制

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

线程安全相关问题：

饿汉模式在程序运行主函数之前就完成了单例对象的创建，由于线程是在main函数之后创建的，因此饿汉模式下单例对象的创建过程是线程安全的。

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。

懒汉模式是需要用到才创建，并且在main函数之后​​​​​​​

  1. 将构造函数设置为私有，并将拷贝构造函数和赋值运算符重载函数设置为私有或删除，防止外部创建或拷贝对象。
  2. 提供一个指向单例对象的static指针，并在程序入口之前先将其初始化为空。
  3. 提供一个全局访问点获取单例对象
namespace Lazy_man {
	// 懒汉模式 - 第一次获取对象时，在创建对象
	class Singleton {
	public:
		static Singleton* GetInstance() {

			// 双检查
			if (_pinst == nullptr)
			{
				//_mtx.lock();
				unique_lock<mutex> loc(_mtx); // 加锁 出了作用域解锁
				if (_pinst == nullptr) {
					_pinst = new Singleton;
				}
				//_mtx.unlock();
			}


			return _pinst;
		}
		static void DelInstance() {
			delete _pinst;
			_pinst = nullptr;
		}


		Singleton(const Singleton&) = delete;

	private:
		Singleton() {};
		static Singleton* _pinst;
		static mutex _mtx;
	};
	Singleton* Singleton::_pinst = nullptr;
	mutex Singleton::_mtx;

	// 1、如果要手动释放单例对象，可以调用DelInstance
	// 2、如果需要程序结束时，正常释放单例对象，可以加入下面的设计
	class GC {
		~GC()
		{
			Singleton::DelInstance();
		}

	};
	static GC gc();

	int x() {
		//Singleton s1; // 报错
		//Singleton copy(*Singleton::GetInstance()); // 报错
		 
		cout << Singleton::GetInstance() << endl;
		cout << Singleton::GetInstance() << endl;


		vector<std::thread > vthreads;
		int n = 16;
		for (int i = 0; i < n; ++i) {
			vthreads.push_back(std::thread(
				[]() {
					//cout << std::this_thread::get_id() << ":";
					cout << Singleton::GetInstance() << endl;
				}
			));
		}
		for (auto& e : vthreads)
		{
			e.join();
		}

		return 0;
	}
}

new出来之后是否需要释放？

一般单例模式对象不需要考虑释放。单例模式的类的一个对象通常在整个程序运行期间都会使用，因此最后不delete也不会有问题，只要进程最终正常结束，对象的资源就会由OS自动释放。

懒汉模式优缺点

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

线程安全相关问题：

懒汉模式是存在线程安全的问题的，因为懒汉模式是在main函数之后的，意味着调用GetInstance函数获取单例对象时，可能会有多个线程同时执行新建单例对象，如果不对这个过程进行保护，此时这多个线程就会各自创建出一个单例对象，并且还会造成覆盖，导致内存泄漏，所以需要对这个过程进程加锁保护

双检查：

上面这种情况只有第一次需要加锁保护，后续因为单例对象已经存在了就无需创建单例对象，后续的加锁解锁无意义
外层新加的if判断可以避免了后续无意义的加锁解锁操作

单例对象的释放：

单例对象创建后一般在整个程序运行期间都可能会使用，所以我们可以不考虑单例对象的释放，程序正常结束时会自动将资源归还给操作系统
也可以在单例类中实现一个垃圾回收类，在垃圾回收类的析构函数中完成单例对象的释放。在单例类中定义一个静态的垃圾回收类对象，程序结束时，这个静态的垃圾回收类对象析构时，便对单例对象进行了释放

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