C++ 特殊类的设计

Posted 2021-06-29 ych9527

1. 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(不能直接定义对象了)

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(因为，构造函数私有，在外面不能调动，就需要成员函数去调动，而成员函数需要成员调动，但是不能创建成员，因此用一个静态函数去调用构造函数)

3.创建出来的对象虽然是在堆上的，但是由于拷贝函数的存在，可能会拷贝到栈上，因此将拷贝构造声明为私有的且不实现，或者直接删除掉

只声明不实现的原因是，防止内部进行拷贝。私有的原因是，防止外部进行定义
当然，最简洁的方法是直接删除掉

class HeapOnly
{
public:
	static HeapOnly *GetObject()
	{
		return new HeapOnly;
	}

private :
	HeapOnly()
	{}
	//HeapOnly(const HeapOnly &hp)//只声明，不实现
	HeapOnly(const HeapOnly &hp) = delete;//直接删除
};


void test()
{
	HeapOnly *hp = HeapOnly::GetObjectA();
	HeapOnly copy(*hp);//可能会进行拷贝，所以禁止掉拷贝构造
}

2.请设计一个类，只能在栈上创建对象

方法1：

1.将构造函数私有化，然后设计静态方法创建对象返回即可

2.由于构造函数私有，因此只能通过提供的进口进行对象的创建，杜绝了用new创建对象的可能

class StackOnly
{
public:
	static StackOnly GetObject()
	{
		return StackOnly();//构造一个匿名对象，拷贝返回即可
	}

private:
	StackOnly()
	{}
};

void test()
{
	StackOnly sk = StackOnly::GetObjectA();
}

方法2：

屏蔽new，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

class StackOnly
{
public:

	StackOnly()
	{}
	//operator new是库函数，和malloc用法是一样的
	void* operator new(size_t size) = delete;
};

void test()
{
	StackOnly sk;
}

3.请设计一个类，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

方法1(C++ 98):

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 NoCopy
{
public:
	NoCopy()
	{}
private:
	NoCopy(const NoCopy& nc);
	NoCopy& operator = (NoCopy& nc);
};

方法2(C++ 11):

直接删除掉

class NoCopy
{
public:
	NoCopy()
	{}

	NoCopy(const NoCopy& nc) = delete;
	NoCopy& operator = (NoCopy& nc) = delete;
};

4.请设计一个类，不能被继承

方法1(C++ 98):

构造函数私有化，派生类中调不到基类的构造函数(基类的成员，必须调用基类的构造函数进行初始化)，则无法继承

class parent
{
private:
	parent()
	{};
};

class child:public parent
{
	child()
	{}
};

方法2(C++ 11):
final关键字，final修饰类，表示该类不能被继承

class parent final //final修饰，不能被继承
{
public:
	parent()
	{};
};

class child:public parent
{
	child()
	{}
};

5. 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

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。

class singleton
{
public:

	//不能直接调用构造，因为直接调用构造返回时，需要进行拷贝
	static singleton* getInstance()//返指针，都是同一个对象
	{
		return &_single;//这里是只读的，因此不用进行加锁处理
	}
private:

	singleton(){};//构造函数私有，避免构造出来多个对象
	
	//拷贝、赋值需要禁掉
	singleton(const singleton&s) = delete;
	singleton& operator=(const singleton&s) = delete;

	static singleton _single;//给一个静态的对象，在编译时就已经初始化好了
};

//静态成员初始化
singleton singleton::_single;

特点:

构造函数私有
提供一个静态的方法返回单例
声明一个静态的单例成员
拷贝构造和赋值声明为delete函数

优缺点:

优点:实现简单、多线程场景下效率高
缺点:程序启动慢、多个单例的初始化顺序是无法控制的

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。

class singleton2
{
public:

	static singleton2 *getInstance()//返回指针
	{
		_mtx.lock();//防止临界资源不安全，进行加锁
		//初始化一次
		if (_ptr == nullptr)
		{
			_ptr = new singleton2;
		}
		_mtx.unlock();

		return _ptr;
	}

	// 实现一个内嵌内部类垃圾回收类
	class CGarbo //程序结束了，资源自然会还给系统，可写可不可
	{
	public:
		~CGarbo()
		{
			if (_ptr)
				delete _ptr;
		}
	};

private:

	singleton2()
	{};

	//拷贝、赋值需要禁掉
	singleton2(const singleton2&s) = delete;
	singleton2& operator=(const singleton2&s) = delete;

	static singleton2* _ptr;
	static mutex _mtx;
	
	// 声明一个静态成员变量，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 _cg;
};

singleton2* singleton2::_ptr = nullptr;//初始化为空
mutex singleton2::_mtx;//初始化锁
singleton2::CGarbo singleton2::_cg;//初始化	

特点:

构造函数私有
提供一个静态的方法返回单例，第一次调用创建对象，后续调用直接返回
声明一个静态的单例成员指针，指针初始化为空
拷贝构造和赋值声明为delete函数
保证线程安全(修改指针)，双检查提高效率

优缺点:

优点：延迟加载，启动快。可以指定多个单例对象的初始化顺序
缺点:实现复杂一点

测试:是否只有一个对象

void test()
{
	singleton *s = singleton::getInstance();
	singleton2 *s2 = singleton2::getInstance();
	
	cout << "s：" << s << " " << "s2：" << s2 << endl;
	cout << "-------" << endl;

	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		cout << "s："<<singleton::getInstance() <<" "<<"s2：" <<singleton2::getInstance() << endl;
	}
}