特殊类设计（C++面试常考）

Posted 2022-03-10 雨轩（爵丶迹）

特殊类设计

• 1、请设计一个类，只能在堆上创建对象
• 2、请设计一个类，只能在栈上创建对象
• 3、请设计一个类，不能被拷贝
• 4、请设计一个类，不能被继承
• 5、请设计一个类，只能创建一个对象(单例模式)
• • 饿汉模式
  • 懒汉模式
  • 懒汉模式和饿汉模式的对比

1、请设计一个类，只能在堆上创建对象

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（没有人用）
	// 2.声明成私有
	HeapOnly(const HeapOnly&);
	// or
	// C++11   delete，表示禁止生成拷贝构造
	HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
;
int main()

	HeapOnly* p = HeapOnly::CreateObject();

	return 0;

2、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 CreateObject()
	
		return StackOnly();
	
private:
	StackOnly() 
;

方法二：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。
注意：也要防止定位new

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;
;
int main()

	StackOnly p;
	static StackOnly s;//缺陷：没有禁掉在静态区的对象

3、请设计一个类，不能被拷贝

这个设计，前面已经用到了。
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。

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 CopyBan

	// ...
private:
	CopyBan(const CopyBan&);
	CopyBan& operator=(const CopyBan&);
	//...
;

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：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;
	//...
;

4、请设计一个类，不能被继承

C++98：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（父类也就无法实例化对象）。

C++98中这个不能被继承的方式不够彻底，实际是可以继承，限制的是子类继承后不能实例化对象。

class NonInherit

public:
	static NonInherit GetInstance()
	
		return NonInherit();
	
private:
	NonInherit()
	
;

C++11：final关键字，final修饰类，表示该类不能被继承（final意味是最后一个类，无法继承）。

class A final

	// ....
;

5、请设计一个类，只能创建一个对象(单例模式)

我们先简单的介绍什么是设计模式：

• 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。

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。
• 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。

• 单例模式有两种实现模式

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。

饿汉模式

定义：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。

如何保证全局(一个进程中)只有一个唯一实例对象

1. 构造函数私有定义。拷贝构造和赋值防拷贝禁掉
2. 提供一个GetInstance获取单例对象

// 饿汉模式 -- 程序开始main执行之前就创建单例对象
// 提供一个静态指向单例对象的成员指针，初始化时new一个对象给它
// 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;//静态对象
		//return m_instace2;//静态对象指针
	
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，也可以是指针
	static Singleton* m_instance2;
;
Singleton Singleton::m_instance; // 在程序入口之前就完成单例对象的初始化
Singleton* Singleton::m_instance2 = new Singleton;
int main()

	Singleton::GetInstance();
	return 0;

饿汉模式适合场景：

• 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。

饿汉模式不适合场景：

• 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。

比如开机，我们希望一直卡在启动界面嘛？还是先进界面，后加载其他插件？当然是先启动后加载，不然一直等待，速度非常缓慢，体验非常不好。对于这种情况，使用懒汉模式（延迟加载）更好。

懒汉模式

// 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
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
		// 保护第一次需要加锁，后面都不需要加锁的场景，可以使用双检查加锁
		// 特点：第一次加锁，后面不加锁，保护线程安全，同时提高了效率
		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   一般情况下不考虑释放，会自动释放
	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() ;// 假设单例类构造函数中，要做很多配置初始化
	// 防拷贝
	~Singleton() ;// 程序结束时，需要处理一下，持久化保存一些数据
	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;
void func(int n)

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

// 多线程环境下演示上面GetInstance()加锁和不加锁的区别。
int main()

	thread t1(func, 10);
	thread t2(func, 10);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;

关于为什么要加锁：

• 假设线程1和线程2都在调用 getInstance() 方法，此时 m_pInstance 对象为空，线程1和线程2都能通过 if 判断进入同步代码块，只是线程1进入锁定的代码中执行创建实例的代码时，线程2处于等待状态，当线程1执行完成后，线程2并不知道实例已经创建完成，因此线程2将继续创建新的实例，这时将导致产生两个实例对象，违背了单例模式的设计思想。

关于为什么是double check：

• 线程1此时去调用getInstance() 方法，此时 m_pInstance 对象为空，那么线程1就创建对象，线程2等待线程1执行完毕，如果此时 m_pInstance 对象不为空，说明已经被使用了，也就不用再进去解锁加锁，这样的好处是不用频繁切换线程，提高效率。

其他版本的懒汉模式：局部静态对象

class Singleton

public:
	static Singleton* GetInstance()
	
		//局部静态 
		static Singleton inst;

		return &inst;
	
	void Print()
	
		cout << "Print()" << _a << endl;
	
private:
	Singleton()
		:_a(0)
	
		// 假设单例类构造函数中，要做很多配置初始化
	
	~Singleton()
	
		// 程序结束时，需要处理一下，持久化保存一些数据
	
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
	int _a;
;

这种模式了解就好，缺点：1、单例对象在静态区，如果单例对象太大，不太好，不合适。2、想主动释放单例对象，无法主动控制。

懒汉模式和饿汉模式的对比

饿汉

• 优点：简单

• 缺点：
  1、如果单例对象构造函数工作比较多，会导致程序启动慢,迟迟进不了入口main函数
  2、如果有多个单例对象，他们之间有初始化依赖关系，饿汉模式也会有问题。

   比如有A和B两个单例类，要求A单例先初始化，B必须在A之后初始化。那么饿汉无法保证
   这种场景下面用懒汉就可以，懒汉可以先调用A::GetInstance(),再调用B::GetInstance().
  

懒汉

• 优点：解决上面饿汉的缺点。因为他是第一次调用GetInstance时创建初始化单例对象。
• 缺点：相对饿汉，复杂一点点。