【C++从青铜到王者】第二十七篇:特殊类设计

系列文章目录

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前言

掌握常见特殊类的设计方式。

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一、请设计一个类，只能在堆上创建对象

• 实现方式：
• 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。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS   1
#include
#include
using namespace std;

class HeapOnly
{
     
public:
	static HeapOnly* GetObj()
	{
     
		return new HeapOnly;
	}
private:
	HeapOnly()
	{
     }
	//C++98声明为私有
	HeapOnly(HeapOnly&);
	
	//C++11
	HeapOnly(HeapOnly&) = delete;
};
int main()
{
     
	//HeapOnly* p = HeapOnly::GetObj(); 防止内存泄漏，用智能指针
	std::shared_ptr<HeapOnly> sp1(HeapOnly::GetObj());
	return 0;
}

二、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。
• 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。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS   1
#include
using namespace std;

class StackOnly
{
     
public:
	static StackOnly GetObj()
	{
     
		return StackOnly();
	}
private:
	StackOnly(){
     }

	void* operator new(size_t size) = delete;
};
int main()
{
     
	StackOnly p = StackOnly::GetObj();
	//StackOnly* p = new StackOnly;
	return 0;
}

三、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。
• 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。
• 原因：
• 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。
• 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。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS   1
#include
using namespace std;

class CopyBan
{
     
public:
	CopyBan()
	{
     }
private:
	//只声明不定义，并且设置为私有
	CopyBan(const CopyBan&);
	CopyBan operator=(const CopyBan&);

	CopyBan(const CopyBan&) = delete;
	CopyBan operator=(const CopyBan&) = delete;

};
int main()
{
     
	CopyBan a;
	CopyBan b(a);
	CopyBan c;
	c = a;
	return 0;
}

四、请设计一个类，不能被继承

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

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS   1
#include
using namespace std;

class NoInherit final
{
     
public:
	static NoInherit GetInstance()
	{
     
		return NoInherit();
	}
private:
	NoInherit()
	{
     }
};
int main()
{
     
	NoInherit a = NoInherit::GetInstance();
	return 0;
}

五、请设计一个类，只能创建一个对象(单例模式)

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。

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。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS   1
#include

#include
#include
#include
using namespace std;

class Singleton
{
     
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
     
		Sleep(1000);
		if (_pinst == nullptr)
		{
     
			_pinst = new Singleton;
		}
		return _pinst;
	}
private:
	Singleton()
	{
     }
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);
	static Singleton* _pinst;
};
Singleton* Singleton::_pinst = nullptr;

int main()
{
     
	//cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	//cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	//cout << Singleton::GetInstance() << endl;

	//存在线程安全问题
	//Singleton copy(*Singleton::GetInstance());

	vector<std::thread> vthread;

	int n = 10;
	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
     
		vthread.push_back(thread([]()
		{
     
			//cout << this_thread::get_id() << ":";
			cout << Singleton::GetInstance() << endl;
		}));
	}

	for (auto& t : vthread)
	{
     
		t.join();
	}

	return 0;
}

1.单例模式之饿汉模式

• 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。

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
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS   1

#include
#include
#include
using namespace std;

namespace yyw
{
     
	//饿汉模式-- 一开始(main函数之前就)创建对象
	class Singleton
	{
     
	public:
		static Singleton* GetInstance()
		{
     
			return &_inst;
		}

		Singleton(const Singleton&) = delete;
		Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
	private:
		Singleton()
		{
     }
		static Singleton _inst;
	};

	Singleton Singleton::_inst;
	//static对象是在main函数之前就创建的，这里只有主线程，所以不存在线程安全问题
	int x()
	{
     
		//cout << Singleton::GetInstance() << endl;
		//cout << Singleton::GetInstance() << endl;
		//cout << Singleton::GetInstance() << endl;

		//存在线程安全问题
		//Singleton copy(*Singleton::GetInstance());

		vector<std::thread> vthread;

		int n = 10;
		for (int i = 0; i < n; i++)
		{
     
			vthread.push_back(thread([]()
			{
     
				//cout << this_thread::get_id() << ":";
				cout << Singleton::GetInstance() << endl;
			}));
		}

		for (auto& t : vthread)
		{
     
			t.join();
		}
		return 0;
	}
}
int main()
{
     
	yyw::x();
	return 0;
}

2.单例模式之懒汉模式

• 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。

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
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS   1
#include

#include
#include
#include
#include
using namespace std;
namespace Lazy_MAN
{
     

	//懒汉模式
	class Singleton
	{
     
	public:
		static Singleton* GetInstance()
		{
     
			Sleep(1000);   //增加加没加锁时出现线程不安全的情况



			//局部域控制解锁时机

			//双检查加锁方式，
			if (_pinst == nullptr)            //第一次判断是防止对象创建好以后，还要每次加锁，就浪费了。
			{
     
				//_mtx.lock();
				unique_lock<mutex> lock(_mtx);
				if (_pinst == nullptr)      //第二次判断是为了防止多个线程一起写不安全现象
				{
     
					_pinst = new Singleton;
				}
				//_mtx.unlock();
			}

			return _pinst;
		}

		static void DelInstance()
		{
     
			//unique_lock lock(_mtx);
			delete _pinst;
			_pinst = nullptr;
		}
	private:
		Singleton()
		{
     }
		Singleton(const Singleton&);
		Singleton& operator=(const Singleton&);

		static Singleton* _pinst;

		static mutex _mtx;
	};

	//1.如果要手动释放单例对象，可以调用DelInstance
	//2.如果需要程序结束时，正常释放对象，可以加入下面的对象
	class GC
	{
     
	public:
		~GC()
		{
     
			Singleton::DelInstance();
		}
	};

	//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 GC gc;

	Singleton* Singleton::_pinst = nullptr;
	mutex Singleton::_mtx;

	int main()
	{
     
		//cout << Singleton::GetInstance() << endl;
		//cout << Singleton::GetInstance() << endl;
		//cout << Singleton::GetInstance() << endl;

		//存在线程安全问题
		//Singleton copy(*Singleton::GetInstance());

		vector<std::thread> vthread;

		int n = 10;
		for (int i = 0; i < n; i++)
		{
     
			vthread.push_back(thread([]()
			{
     
				//cout << this_thread::get_id() << ":";
				cout << Singleton::GetInstance() << endl;
			}));
		}

		for (auto& t : vthread)
		{
     
			t.join();
		}

		return 0;
	}
}

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总结

以上就是今天要讲的内容，本文介绍了一些特殊类设计以及单例模式，特殊类在面试中经常出现，我们务必掌握。另外如果上述有任何问题，请懂哥指教，不过没关系，主要是自己能坚持，更希望有一起学习的同学可以帮我指正，但是如果可以请温柔一点跟我讲，爱与和平是永远的主题，爱各位了。