教你如何用C++创建一个特殊的类

Posted 2020-09-10

    就语言而言，个人还是比较喜欢C++，尽管 C++有些语法方面确实比较深奥，但这些确实挡不住它在实际应用中不可被替代的位置。

    开始谈今天的重点，如何定义一个特殊的C++类。

1、定义不可被继承的C++类

    如何让一个类不能被继承呢？简单来说，我们希望达到的效果，就是如果继承这个类的话，编译直接报错。

    实现这个类，我希望你提前了解过以下几个C++的简单语法：友元类、虚继承。这里我直接告诉你如何来定义，接下来我们讨论为什么。

    第一步：定义一个空类A，显式给出构造和析构，构造和析构必须定义为private。

    第二步：定义不可被继承的类B，给出正常的构造和析构，public类型，让 B虚继承A类，继承方式不限，同时将B设置为Ａ的友元类。

    第三步：定义类C去尝试虚拟继承类B，编译错误！ 

代码如下：

class A
{
	friend class B;
private:
	A(){}
	~A(){}
};

class B:virtual public A
{
public:
	B()
	{}
};

class C :public B
{
public:
	C()
	{}
};

我们来讨论，为什么编译会出错？

    首先，将类A的构造函数和析构函数定义为私有，如果没有显示定义，默认的构造和析构函数是public的。那定义为protected类型可以吗？答案是“NO”。了解过继承的话，应该知道，基类中private类型的成员变量或方法，在所有派生类中是不可见，但protected类型的成员变量或方法是可见的。我们的目的是如果以后构造类A的派生类时，需要调用类A构造，必须在类A内部调用该方法，即使是派生类，我也希望它遵守，即对派生类不可见。

    其次，类B继承了类A，继承方式无所谓，因为基类私有部分不论以何种方式继承，都是不可见的。为什么要虚继承呢？这个稍后说。同时，类B这里定义成类A的友元类，那么以后类B就可以直接访问类A的私有成员了，也就是说，这里的友元，打破了我们一开始定义的对派生类不可见的限制。那么以后在使用类B实例化对象时，完全可以成功，构造基类部分是通过友元实现的，和继承方式无关。这里的类B就是我们定义的不可被继承的类。

    最后，我们尝试让类C继承类B，那么当类C实例化对象时（或显式定义了构造函数），就会首先去构造属于类B的部分。这里注意，如果类B不是虚继承类A的话，那么这里构造属于类B的部分时，是通过类B构造类A部分，这必然是成功的。但我们不希望，因此，这里类B虚继承了类A，当构造属于类B部分时，由于B虚继承了A，那么会由类C直接去访问A，尝试构造类A的部分，很明显，由于访问不到类A的构造函数，因此C实例化对象失败。之后，所有尝试继承类B的类都会在编译时失败（前提要求C显示给出了构造，或类C实例化了对象）。

    到这里，不可被继承了类B创建成功，这里很巧妙的应用了友元类的概念，从而实现了仅有B可以实例化属于A的部分。

    如果觉得这种方式太过灵活，不容易理解，那么还有一种更加简单的方式。C++11引入了final关键字，被该关键字修饰的类，都是不可被继承的，这个和java中的用法基本是一致的。

class A final
{
public:
	A(){}
};

class B :public A        // 编译出错
{};

2、定义一个只可以在栈上创建对象的类

    如果上面那种情况理解的话，这里应该不会太难。为什么只可以在栈上创建对象？如何实现？其实很简单，只要我们只对外暴露出可以在堆上创建对象的接口就可以。代码如下：

class A
{
public:
	static A* Get_A(int x)
	{
		return new A(x);
	}
	static void Delete_A(A* a)
	{
		delete a;
	}
private:
	A(int a = 10)
		:_a(a)
	{}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A* pa = A::Get_A(9);
	A* pb = A::Get_A(7);
	return 0;
}

    和之前一样，将构造函数和析构函数都设置为私有（因为这里不涉及继承，private和protected在这里没有区别），由于构造函数都是私有的，无法创建对象，因此，提供了静态方法，该方法中通过new和delete实现了在堆上对象的获取和释放。

3、定义一个只可以在栈上创建对象的类

    如果理解了上一种，就应该知道这里该如何去做。只要我们只提供在栈上获取对象的方式即可，由于栈空间是由操作系统维护了，没有特殊需要，析构函数就没有必要显式给出，代码如下：

class A
{
public:
	static A Get_A(int x)
	{
		return A(x);
	}
private:
	A(int a = 10)
		:_a(a)
	{}
private:
	int _a;
};

int main()
{
	A pa = A::Get_A(9);
	A pb = A::Get_A(7);
	return 0;
}

     只能在栈上或者只能在堆上创建的对象，实现起来原理是一样的，类的构造和析构函数都设置为私有，当我的接口函数提供的方法是从堆中创建的对象时，类就只能在堆上创建对象，当我的接口函数提供的是从栈上直接得到的对象的话，类就只可以在栈上创建对象。需要注意一点的是，创建栈上对象的时候，不可以返回临时对象的引用，这个就不再多解释。

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