【C++】特殊类设计

一、请设计一个类，不能被拷贝

拷贝只会放在两个场景中：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被调用，定义了也没有什么意义，不写反而更简单，如果定义了就不能防止成员函数内部拷贝了。

• C++11
  C++11 扩展了 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;
	//...
};

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二、请设计一个类，只能在堆上创建对象

实现方式：

1. 将类的构造函数和拷贝构造声明成私有。拷贝构造声明成私有是为了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

另一种方法是把析构声明成私有，再写一个destroy显示调析构

class HeapOnly
{
public:
	static HeapOnly* CreateObject()
	{
		return new HeapOnly;
	}
private:
	HeapOnly() {}
	// C++98
	// 1.只声明,不实现
	// 2.声明成私有
	HeapOnly(const HeapOnly&);

	// C++11
	HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
};

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三、请设计一个类，只能在栈上创建对象

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 可以把用 new 调用拷贝构造申请对象给禁掉
	// StackOnly obj = StackOnly::CreateObj(); 
	// StackOnly* ptr = new StackOnly(obj);
	void* operator new(size_t size) = delete; 
	void operator delete(void* p) = delete; 
private:
	// 注意构造放私有，尽可能防止创建静态对象
	// static StackOnly s;// 可以禁掉
	// static StackOnly s2 = StackOnly::CreatObj();// 仍然可以创建静态对象
	StackOnly()
	{}
};

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四、请设计一个类，不能被继承

• C++98方式

// 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()
	{}
};

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

class A  final
{
	// ....
};

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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？

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：

1. 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。
class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()
	{
		return &m_instance;
	}
private:
	// 构造函数私有
	Singleton() {};
	// C++98 防止拷贝
	//Singleton(Singleton const&);
	//Singleton& operator=(Singleton const&);

	// C++11 防止拷贝
	Singleton(Singleton const&) = delete;
	Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;
	static Singleton m_instance;// 类内静态成员声明
};
// 在程序入口之前就完成单例对象的初始化
Singleton Singleton::m_instance;// 静态成员定义
//Singleton s;

int main()
{
	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。

• 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。

// 懒汉模式
// 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
#include 
#include 
#include 
using namespace std;
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
		// 只有第一次需要加锁，加锁有性能消耗
		if (nullptr == m_pInstance)// 对象 new 出来后，避免每次都加锁
		{
			m_mtx.lock();
			if (nullptr == m_pInstance)// 保证线程安全且只会 new 一次
			{
				m_pInstance = new Singleton();
			}
			m_mtx.unlock();
		}
		return m_pInstance;
	}
	// 实现一个内嵌垃圾回收类
	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() {};
	// 防拷贝
	Singleton(Singleton const&) = delete;
	Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;
	
	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;
int main()
{
	thread t1([] {cout << Singleton::GetInstance() << endl; });
	thread t2([] {cout << Singleton::GetInstance() << endl; });
	t1.join();
	t2.join();
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	return 0;
}

另一种懒汉模式写法：
getInstance() 函数返回一个静态成员变量 instance 的引用，该变量是在第一次调用 getInstance() 时创建的，且只创建一次。因此，每次调用 getInstance() 函数时都返回同一个 Singleton 类的实例，从而实现了单例模式。

class Singleton {
public:
    static Singleton& getInstance() {
    	// 静态局部变量在main之后初始化
    	// 但是这里C++11之前是不能保证线程安全的
        static Singleton instance; // 静态成员变量
        return instance;
    }

    // 禁止拷贝构造和赋值操作
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

private:
    Singleton() {} // 私有构造函数
};

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