【C++】特殊类设计
目录
一、设计一个不能被拷贝的类
1、C++98
2、C++11
二、设计一个只能在堆上创建对象的类
三、设计一个只能在栈上创建对象的类
四、设计一个不能被继承的类
1、C++98
2、C++11
五、设计一个只能创建一个对象的类（单例模式）
1、饿汉模式
2、懒汉模式
一、设计一个不能被拷贝的类
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。
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 CopyBan
{
// ...
private:
CopyBan(const CopyBan&);
CopyBan& operator=(const CopyBan&);
//...
};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。
2、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;
//...
};二、设计一个只能在堆上创建对象的类
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
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
// 2.声明成私有
HeapOnly(const HeapOnly&);
// or
// C++11
HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
};三、设计一个只能在栈上创建对象的类
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 CreateObj()
{
return StackOnly();
}
// 禁掉operator new可以把下面用new 调用拷贝构造申请对象给禁掉
// StackOnly obj = StackOnly::CreateObj();
// StackOnly* ptr3 = new StackOnly(obj);
void* operator new(size_t size) = delete;
void operator delete(void* p) = delete;
private:
StackOnly()
:_a(0)
{}
private:
int _a;
};不过这种方法无法控制 static 对象：
StackOnly st1 = StackOnly::CreateObj(1);
static StackOnly st2 = st1;四、设计一个不能被继承的类
1、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：
class NonInherit
{
public:
static NonInherit GetInstance()
{
return NonInherit();
}
private:
NonInherit()
{}
};2、C++11
final 关键字，final修饰类，表示该类不能被继承。
class A final
{
// ....
};五、设计一个只能创建一个对象的类（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。
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。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、懒汉模式。
1、饿汉模式
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：
- 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;
}
void Add(const string& str)
{
_mtx.lock();
_v.push_back(str);
_mtx.unlock();
}
void Print()
{
_mtx.lock();
for (auto& e : _v)
{
cout << e << " ";
cout << endl;
}
_mtx.unlock();
}
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;
private:
vector _v;
mutex _mtx;
static Singleton m_instance;
};
//这里是类的静态成员函数的定义部分，因此可以使用私有的构造函数，只有静态成员变量能这样用
Singleton Singleton::m_instance; // 在程序入口之前就完成单例对象的初始化
int main()
{
int n = 10;
thread t1([n]() {
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
{
Singleton::GetInstance()->Add("t1线程" + to_string(rand()));
}
});
thread t2([n]() {
for (size_t i = 0; i < n; ++i)
{
Singleton::GetInstance()->Add("t2线程" + to_string(rand()));
}
});
t1.join();
t2.join();
Singleton::GetInstance()->Print();
return 0;
} 
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。
2、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。
- 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()
{
这种写法每一次调用函数都要加锁解锁，效率不高
//_imtx.lock();
//if (_ins == nullptr)
//{
// _ins = new Singleton;
//}
//_imtx.unlock();
//双检查加锁，只需要保护第一次申请空间即可
if (_ins == nullptr)
{
_imtx.lock();
if (_ins == nullptr)
{
_ins = new Singleton;
}
_imtx.unlock();
}
return _ins;
}
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;
private:
vector _v;
mutex _vmtx;
static Singleton* _ins;
static mutex _imtx;
};
//这里是类的静态成员函数的定义部分，因此可以使用私有的构造函数，只有静态成员变量能这样用
Singleton* Singleton::_ins = nullptr; // 在程序入口之前就完成单例对象的初始化
mutex Singleton::_imtx; 一般全局都要使用单例对象，所以单例对象一般不需要显示释放。如果有些特殊场景想要显示释放，则可以采用如下方式：
class Singleton
{
public:
//...
static void DelInstance()
{
_imtx.lock();
if (_ins)
{
delete _ins;
_ins = nullptr;
}
_imtx.unlock();
}
//单例对象回收
class GC
{
public:
~GC()
{
DelInstance();
}
};
static GC _gc;
//...
};
//...
Singleton::GC Singleton::_gc;
在C++11之后，由于局部静态变量是线程安全的，所以懒汉模式也可以这样写：
class Singleton
{
public:
static Singleton* GetInstance()
{
static Singleton inst;
return &inst;
}
void Add(const string& str)
{
_vmtx.lock();
_v.push_back(str);
_vmtx.unlock();
}
void Print()
{
_vmtx.lock();
for (auto& e : _v)
{
cout << e << " ";
cout << endl;
}
_vmtx.unlock();
}
private:
Singleton() {};
Singleton(Singleton const&) = delete;
Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;
private:
vector _v;
mutex _vmtx;
};