「前言」文章是关于C++特殊类设计方面的
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——苏轼《水调歌头·黄州快哉亭赠张偓佺》
目录
一、请设计一个类，不能被拷贝
二、请设计一个类，只能在堆上创建对象
三、请设计一个类，只能在栈上创建对象
四、请设计一个类，不能被继承
五、请设计一个类，只能创建一个对象(单例模式)
一、请设计一个类，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&);
//...
};设置为私有的原因：
- 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;
//...
};二、请设计一个类，只能在堆上创建对象
实现方式：
- 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。
- 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* CreateObject()
{
return new HeapOnly;
}
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;
};注意：向外部提供的CreateObj函数必须设置为静态成员函数
三、请设计一个类，只能在栈上创建对象
方法一
- 将构造函数设置为私有，防止外部直接调用构造函数在堆上创建对象。
- 向外部提供一个获取对象的static接口，该接口在栈上创建一个对象并返回
class StackOnly
{
public:
//提供一个获取对象的接口，并且该接口必须设置为静态成员函数
static StackOnly CreateObj()
{
return StackOnly();
}
private:
//将构造函数设置为私有
StackOnly(){}
};但该方法有一个缺陷就是，无法防止外部调用拷贝构造函数创建对象
StackOnly obj1 = StackOnly::CreateObj();
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
但是我们不能将构造函数设置为私有，也不能用 =delete的方式将拷贝构造函数删除，因为CreateObj函数当中创建的是局部对象，返回局部对象的过程中势必需要调用拷贝构造函数
方法二
- 屏蔽operator new函数和operator delete函数
class StackOnly
{
public:
StackOnly()
{}
private:
//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;
};
new和delete的原理：
- new在堆上申请空间实际分为两步，第一步是调用operator new函数申请空间，第二步是在申请的空间上执行构造函数，完成对象的初始化工作。
- delete在释放堆空间也分为两步，第一步是在该空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作，第二步是调用operator delete函数释放对象的空间。
- new和delete默认调用的是全局的operator new函数和operator delete函数，但如果一个类重载了专属的operator new函数和operator delete函数，那么new和delete就会调用这个专属的函数。
- 所以只要把operator new函数和operator delete函数屏蔽掉，那么就无法再使用new在堆上创建对象了。
但该方法也有一个缺陷，就是无法防止外部在静态区创建对象
static StackOnly obj; //可以在静态区创建对象
四、请设计一个类，不能被继承
C++98方式
- 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
// 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方式
- final关键字，final修饰类，表示该类不能被继承
class A final
{
// ....
};五、请设计一个类，只能创建一个对象(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
- 单例模式有两种实现方式，分别是饿汉模式和懒汉模式
饿汉模式
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（在执行main函数之前就已经创建）
- 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。
- 提供一个指向单例对象的static对象
- 提供一个全局访问点获取单例对象
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;//静态对象
};
Singleton Singleton::m_instance; //在程序入口之前就完成单例对象的初始化饿汉模式优缺点
- 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
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，懒汉模式是需要用到才创建，并且在main函数之后
- 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。
- 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。
- 提供一个全局访问点获取单例对象
class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance()
{
// 注意这里一定要使用Double-Check(双检查)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;//在程序入口之前先将static指针初始化为空
Singleton::CGarbo Garbo;
mutex Singleton::m_mtx;//初始化互斥锁懒汉模式优缺点
- 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
- 在单例类中实现一个内嵌的垃圾回收类，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，当该对象被消耗时就会调用其析构函数，这时便对单例对象进行了释放
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「 作者 」 枫叶先生
「 更新 」 2023.5.14
「 声明 」 余之才疏学浅，故所撰文疏漏难免，
或有谬误或不准确之处，敬请读者批评指正。
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