C++进阶（9）特殊类设计

1.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赋值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。应用场景IO流、……IO流的底层涉及到缓冲区这样的一些内容所以不允许拷贝。1.1C98的写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: CopyBan(const CopyBan); CopyBan operator(const CopyBan); //... };【说明】两要素设置成私有如果只声明但是没有设置成private那用户自己如果在类外定义了就可以调用拷贝构造了。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无法防止类内的成员函数内部调用拷贝构造了。1.2C11的写法C11扩展了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; //... };2.请设计一个类只能在堆上创建对象2.1方式一类外禁用构造【实现方式】两要素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() {} // C98 // 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 // C11 HeapOnly(const HeapOnly) delete; };【课堂演示】不加限制那在哪里创建对象都可以。class HeapOnly { }; int main() { static HeapOnly hp0; //静态区创建对象 HeapOnly hp1; //栈上创建对象 HeapOnly* hp2 new HeapOnly; //堆上创建对象 return 0; }C创建对象都要调用构造函数为了禁止在栈上创建对象就可以把构造函数设置成私有。构造函数私有化只是不能在类外创建对象类内还是能调用构造函数。但是类内调用构造函数的成员函数必须先创建一个对象才能调用成员函数而类外又不能调用构造函数创建对象。关了创建对象的门还要开一扇允许在堆上创建对象的窗。【管控方式】先把所有路径堵死再针对特定需求设计特定的方式。类比粮食买卖哄抬粮价就可以管控一下禁止各种渠道的粮食买卖再开通官方渠道官方定价。这里可以在静态区、栈、堆上创建对象不符合我的需求就可以先把这些途径封死——不允许调用构造函数就创建不了对象。这个时候再留出一个公开的渠道使得你只能通过这个公开的渠道去创建对象——CreatObj()。然后在这个公开渠道的内部只在堆上创建对象。然后调用这个函数就能控制只在堆上创建对象。但是现在有一个问题是调用成员函数需要先创建一个对象。【静态成员函数的特点】没有this指针静态成员函数属于类本身不属于任何对象。只能访问静态成员不能直接访问非静态成员变量和非静态成员函数。不依赖对象可以在没有创建对象的情况下调用。不能被声明为const/volatile静态成员函数不能有cv限定符。【静态成员函数的调用方式】指定类域调用最常用指定派生类类域调用即使有继承在类内部调用通过对象实例调用不推荐这个程序还存在一些漏洞还有在栈上创建对象的机会。所以这里还需要在类外禁止拷贝——拷贝构造、赋值重载。所以一个类不允许拷贝还是有一定的需求场景的。在堆上创建的对象不要忘了释放。现在就只有调用CreatObj这个接口才能创建对象。而这个对象创建在什么地方就由这个接口内部控制了。2.2方式二类外禁用析构这种方式不用在类外禁用拷贝。hp2调用Destroyhp2就是this指针而如果普通对象hp1调用成员函数hp1是*this。delete会调用operator deleteoperator delete会调用析构函数。如果把Destroy用static修饰就需要增加一个指针参数调用的时候HeapOnly::Destroy(hp2);3.请设计一个类只能在栈上创建对象方法一同上将构造函数私有化然后设计静态方法创建对象返回即可。class StackOnly { public: static StackOnly CreateObj() { return StackOnly(); } // 禁掉operator new可以把下面用new 调用拷贝构造申请对象给禁掉 // StackOnly obj StackOnly::CreateObj(); // StackOnly* ptr3 new StackOnly(obj); void* operator new(size_t size) delete; void operator delete(void* p) delete; private: StackOnly() :_a(0) { } private: int _a; };【课堂演示】还需要禁用拷贝。确实删除拷贝构造可以禁止在堆上拷贝但是官方提供的接口只能传值返回一定会用到拷贝构造。所以不能禁止拷贝构造。可以选择禁止new对象的时候调用拷贝构造。new是调用operator new然后调用构造拷贝构造。operator new默认是全局函数但是C规定如果一个类重载了一个专属的operator new那这个类必须调用这个专属的operator new。但是还是有缺陷——在静态区拷贝构造没被封死。所以还是可以考虑删除拷贝构造然后显式地提供移动构造。因为写了拷贝构造StackOnly(const StackOnly s) delete;就无法自动生成移动构造。但是new和静态区也可以调用移动构造【总结】禁用拷贝构造必须提供移动构造——封不死禁用operator new静态区不受影响——封不死官方提供的接口只能传值返回必然会提供一个公开的构造必然导致封不死。4.请设计一个类不能被继承4.1C98的写法C98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() { } };delete是C11的功能而且C也有更直接的final关键字。delete不生成默认构造但是一个类必然有其他构造那也是无法阻止继承的。必须要在创建对象的时候才能发现不能继承。4.2C11的写法final关键字final修饰类表示该类不能被继承。class A final { // .... };直接在设计的时候就不允许继承。5.请设计一个类只能创建一个对象单例模式5.1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。经典的C设计模式通常指GoFGang of Four的23种设计模式。这23种模式由Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson、John Vlissides在《设计模式可复用面向对象软件的基础》一书中总结分为三大类C这类偏底层的设计模式并没有那么多JAVA这类偏应用的语言会有更多的设计模式。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。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。5.2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。避免创建多个配置数据对象时每个人看到的配置数据信息不一样哪里修改了之后都要能保证看到的是同一份配置信息。单例模式有两种实现模式饿汉模式、懒汉模式。5.2.1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。// 饿汉模式 // 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。 class Singleton { public: static Singleton* GetInstance() { return m_instance; } private: // 构造函数私有 Singleton(){}; // C98 防拷贝 Singleton(Singleton const); Singleton operator(Singleton const); // or // C11 Singleton(Singleton const) delete; Singleton operator(Singleton const) delete; static Singleton m_instance; }; Singleton Singleton::m_instance; // 在程序入口之前就完成单例对象的初始化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。【课堂演示】单例全局只有唯一实例对象不限制在哪堆、栈、静态区不能采用计数器计数器只能控制程序运行起来有多个对象会报错。而这里是需要在程序设计的时候只允许一个对象存在。【办法】构造函数私有化禁止随意创建对象然后再提供唯一官方接口。然后再提供唯一官方接口这唯一的一个实例对象从哪里来就有两种方案。第一种是饿汉模式。自己这个类型的对象肯定不能包含自己这个类型的成员变量对象否则就套娃套死了。所以只能是静态成员变量对象——属于整个类不属于某一个对象存储在静态区。相当于就是一个全局的静态对象生命周期是全局的只不过受到类域的限制。类内、类外都可以使用这个静态成员变量。类外访问私有成员只能通过GetInstance接口。类内声明类外定义。饿汉模式有一个现成的对象可供获取这个对象是静态全局的在main函数之前就创建好了。在main函数内可以通过GetInstance接口访问到这个唯一单例对象。这个单例还不完整还是需要防备拷贝构造。【饿汉模式的缺陷】如果有多个饿汉模式的单例其中某几个单例对象创建初始化的时候操作比较多例如需要读文件什么的就会导致程序启动慢。此时程序运行起来之后在main函数之前要初始化很长时间点了运行半天没反应main函数内的逻辑迟迟没出现例如打印就不知道程序是卡死了、崩溃了还是怎么了。如果有A和B两个饿汉而且它们的对象初始化存在依赖关系——要求A先初始化B再初始化。那使用饿汉模式就无法保证——在x文件创建了一个A饿汉在y文件创建了一个B饿汉它们都是全局对象没法保证谁先谁后。5.2.2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。那么这种情况下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 // 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 #include iostream #include mutex #include thread using namespace std; class Singleton { public: static Singleton* GetInstance() { // 注意这里一定要使用Double-Check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; Singleton::CGarbo Garbo; mutex Singleton::m_mtx; int main() { thread t1([] {cout Singleton::GetInstance() endl; }); thread t2([] {cout Singleton::GetInstance() endl; }); t1.join(); t2.join(); cout Singleton::GetInstance() endl; cout Singleton::GetInstance() endl; return 0; }【课堂演示】懒汉模式是针对饿汉模式的缺陷提出的改良版本。一开始不直接创建实例对象只定义一个指针。避免main函数之前初始化操作过多第一次调用GetInstance()接口时创建单例对象。有依赖关系也没事先让A去调用GetInstance迟迟进不了主程序是一个不好的事情因为进了主程序就可以走多线程、并发。懒汉模式也有一定的问题——线程安全的风险需要加锁。其次就是单例对象释放的问题这里的对象是new出来的需要专门delete。不过main函数正常结束也能正常释放而且只有一个单例对象也不会造成太大的内存泄露内存泄露怕的是持续不断的内存泄露。为什么是静态static的如果希望说这个单例对象可以自动调用析构可以参考一开始给的代码。实现一个内嵌垃圾回收类再定义一个静态成员变量全局的程序结束时系统会自动调用它的析构函数在这个内部类的析构函数内部完成单例对象的释放操作。懒汉还有一种更简单的实现方式——C11之后。【局部静态对象】不是在main函数之前初始化而是在第一次进入局部域执行到定义代码的时候初始化。main函数之前不会创建单例对象。第一次之后调用GetInstance之后在调用也不会创建新的单例对象。两次调用GetInstance返回的单例对象的地址是相同的。