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『C++』特殊类设计

『C++』特殊类设计-LMLPHP 

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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

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：

  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

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：

  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* 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

  1. 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。
  2. 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

  • 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

  • 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(){}
};
  • 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)

  • 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：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）

  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对象
  3. 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。

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

  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
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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