C++ 特殊类的设计

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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，这样就无法在栈或堆上直接定义对象了。
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。

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

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

private:
	StackOnly()
	{}
};

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

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。
但是这种方法是有缺陷的，屏蔽了operator new ，不能在堆上创建空间，但是防止不了在全局区和静态区创建对象(static),所以还是建议使用方法1。

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;
}

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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。

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

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，就不会禁止拷贝了
2. 只声明不定义：如果不声明的话，由于是默认成员函数，编译器会自动生成一份。

• 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 NoCopy
{
public:
	NoCopy()
	{}

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

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设计一个类，不能被继承

• 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()
	{}
};

• 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()
	{}
};

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设计一个类，只能创建一个对象(单例模式)

单例模式：
一个类只能在全局（进程中）创建一个实例对象，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

不管将来用不用，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。

// 饿汉模式

class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		return &_instance;
	}

private:
	// 构造函数私有
	Singleton() {};


	// C++11
	Singleton(Singleton const&) = delete;
	Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;

	static Singleton _instance;
};
// static对象在main函数之前创建，此时只有主线程，所以不存在线程安全的问题
Singleton Singleton::_instance; 

饿汉模式的特点:

• 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

饿汉模式的优缺点:

• 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。

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。

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， 初始化网络连接，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。

//懒汉模式
class Singleton
{
public:

	static Singleton* GetInstance()//返回指针
	{
		if (_ptr == nullptr)//双检查，防止多次加锁进行无关消耗
		{
			//初始化一次
			unique_lock<mutex> lock(_mtx);//防止临界资源不安全，进行加锁
			if (_ptr == nullptr)
			{
				_ptr = new Singleton;
			}
		}
		return _ptr;
	}

	//主动释放
	static void DelInstance()
	{
		if (_ptr)
		{
			unique_lock<mutex> lock(_mtx);
			delete _ptr;
			_ptr = nullptr;
		}
	}


	// 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()
		{
			Singleton::DelInstance();
		}
	};

private:

	Singleton()
	{};

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

	static Singleton* _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;
};

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

懒汉模式的特点:

• 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

懒汉模式的优缺点:

• 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。

总结对比一下饿汉模式和懒汉模式的区别

1. 懒汉模式需要考虑线程安全和释放的问题，实现相对复杂；饿汉模式不存在这个问题，实现起来简单。
2. 懒汉模式是一种懒加载模式，需要时再初始化创建对象，不会影响程序的启动。饿汉模式则相反，程序启动阶段就初始化实例对象，会导致程序启动慢，影响体验。
3. 如果有多个单例类，假设有依赖关系（B依赖A），要求A单例先创建初始化，B单例再创建初始化，就不能用饿汉模式，因为无法保证初始化顺序。
4. 实际中懒汉模式还是更实用一些。