C++进阶 — 特殊类设计

目录

1. 设计一个不能被拷贝的类

2. 设计一个只能在堆上创建对象的类

 3. 设计一个只能在栈上创建对象的类

4. 设计一个不能被继承的类

5. 设计一个只能创建一个对象的类(单例模式)

  单例模式

   饿汉模式

   懒汉模式


C++进阶 — 特殊类设计_第1张图片

1. 设计一个不能被拷贝的类

拷贝只会出现在两个场景中: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。

在C++98中只声明拷贝构造和赋值重载,不实现,且把这两个成员函数设为私有即可。设置私有后类外面就调用不到了,有了声明,编译器就不会默认生成了。

class CopyBan
{
    // ...
    private:
    CopyBan(const CopyBan&);
    CopyBan& operator=(const CopyBan&);
    //...
};

在C++11中扩展了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;
    //...
};

2. 设计一个只能在堆上创建对象的类

先将类的构造函数私有,拷贝构造声明成私有。防止别人调用拷贝构造在栈上生成对象。再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* createOBJ()
	{
		return new HeapOnly;
	}
private:
	HeapOnly()
    {}
	HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
	
};

C++进阶 — 特殊类设计_第2张图片

 还可以将析构函数设为私有。释放空间时通过类内的接口去释放即可。

C++进阶 — 特殊类设计_第3张图片


 3. 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,这里需要注意,不能完全禁止在其他的地方创建对象。
 

C++进阶 — 特殊类设计_第4张图片

C++进阶 — 特殊类设计_第5张图片


4. 设计一个不能被继承的类

C++98中将基类的构造私有化,派生类中调不到基类的构造函数,则无法继承。

// 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
class NonInherit
{
public:
    static NonInherit GetInstance()
    {
        return NonInherit();
    }
private:
    NonInherit()
    {}
};

C++11中final关键字,final修饰类,表示该类不能被继承。

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

5. 设计一个只能创建一个对象的类(单例模式)

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。

比如迭代器模式,配接器(适配器)模式,单例模式,工厂模式,观察者模式等。这些都是设计模式。

  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

程序启动时(在main函数之前)就创建一个唯一的实例对象。

class Singleton
{
public:
	static Singleton& create()
	{
		return _sins;
	}
    
	void Insert(string s, int money)
	{
		//_info.insert(make_pair(s, money));
		_info[s] = money;
	}
	void Print()
	{
		for (const auto& kv : _info)
		{
			cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
		}
		cout << endl;
	}
private:

	Singleton()
	{}
    Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
private:
	map _info;
	static Singleton _sins;
};
Singleton Singleton::_sins;//初始化

 可以看到确实是只有一个对象的,无法拷贝和赋值。

C++进阶 — 特殊类设计_第6张图片

C++进阶 — 特殊类设计_第7张图片

优点:1.简单
           2.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。

缺点:1.单例对象初始化时数据太多,导致启动慢;

           2.多个单例类初始化有依赖关系,饿汉模式无法控制。因为多个单例类对象实例启动顺序是不确定的。

   懒汉模式

对象在main函数之后才会创建,不会影响启动顺序,也可以主动控制创建顺序。

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。
//template
//class lockGuard //智能指针->自动加锁,解锁	RAII方式
//{
//public:
//	lockGuard(lock& lk)
//		:_lk(lk)
//	{
//		_lk.lock();
//	}
//	~lockGuard()
//	{
//		_lk.unlock();
//	}
//private:
//	lock& _lk;
//};
//懒汉模式
class Singleton
{
public:
	//static Singleton& create()
	//{
	//	//第一次获取单列对象的时候创建对象
	//	//双检查加锁
	//	if (_psins == nullptr)//对象new出来以后,避免每次都加锁检查,提高性能
	//	{
	//		_mtx.lock();
	//		if (_psins == nullptr)//保证线程安全且只new一次
	//		{
	//			_psins = new Singleton;		//如果new抛异常,就没有解锁
	//		}
	//		_mtx.unlock();
	//	}
	//	return *_psins;
	//}
	
	static Singleton& create()
	{
		//第一次获取单列对象的时候创建对象
		//双检查加锁
		if (_psins == nullptr)//对象new出来以后,避免每次都加锁检查,提高性能
		{
			//lockGuard mtx(_mtx);    //自己实现的
			std::lock_guard mtx(_mtx);//库里提供的

			if (_psins == nullptr)//保证线程安全且只new一次
			{
				_psins = new Singleton;
			}
		}
		return *_psins;
	}
	//插入
	void Insert(string s, int money)
	{
		//_info.insert(make_pair(s, money));
		_info[s] = money;
	}

	void Print()
	{
		for (const auto& kv : _info)
		{
			cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
		}
		cout << endl;
	}
	//一般单例对象不需要考虑释放
	//单例对象不用时,必须手动处理,一些资源需要保存
	static void DelInstance()
	{
		//保存数据到文件
		//...
		std::lock_guard lock(_mtx);
		if (_psins)
		{
			delete _psins;
			_psins = nullptr;
		}
	}
	//自动回收
	class GC
	{
	public:
		~GC()
		{
			if (_psins)//如果你没有显示的释放,我就帮你回收
			{
				cout << "~GC()" << endl;
				DelInstance();	//内部类是外部类的友元,可以直接调用
			}
		}
	};
	
private:
	Singleton()
	{}
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
private:
	map _info;
	static Singleton* _psins;
	static mutex _mtx;
	static GC _gc;
};
Singleton* Singleton::_psins = nullptr;//初始化
mutex Singleton::_mtx;
Singleton::GC Singleton::_gc;

C++进阶 — 特殊类设计_第8张图片

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,需要注意很多问题。

完整代码:特殊类/特殊类/test.cpp · 晚风不及你的笑/作业库 - 码云 - 开源中国 (gitee.com)

拓展:

//懒汉模式
class Singleton
{
public:

	static Singleton& create()
	{
		static Singleton sins;    //只会创建一次
		return sins;
	}
	//插入
	void Insert(string s, int money)
	{
		//_info.insert(make_pair(s, money));
		_info[s] = money;
	}

	void Print()
	{
		for (const auto& kv : _info)
		{
			cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
		}
		cout << endl;
	}
private:
	Singleton()
	{
		cout << "Singleton()" << endl;
	}
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
private:
	map _info;
};

C++进阶 — 特殊类设计_第9张图片

 这个也是懒汉模式,因为静态的局部变量是在main函数之后才创建初始化的。

在C++11之前是不能保证sins的初始化是线程安全的,在C++11之后是可以保证的。因为C++11之前并没有对这一块进行规定,每个编译器实现是不同的,C++11之后规定,静态的局部变量必须是线程安全的。网上有很多这方面的说明,可以自己去查一查。

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