【C++ techniques】限制某个class所能产生的对象数量

允许零个或一个对象

• 每当即将产生一个对象，就会有一个constructor被调用；
• “阻止某个class产出对象”的最简单方法：
  将其constructorsh声明为private：

class CantBeInstantiated
{
private:
	CantBeInstantiated();
	CantBeInstantiated(const CantBeInstantiated&);
	...
};

class PrintJob; //前置声明
class Printer
{
public:
	void submitJob(const PrintJob& job);
	void reset();
	void performSelfTest();
	...
	friend Printer& thePrinter();
	
private:
	Printer();
	Printer(const Printer& rhs);
	...
};
 
Printer& thePrinter()
{
	static Printer p; //唯一的一个打印机对象
	return p;
}

以上设计有3个成分：
1. Printer类的构造函数为private，这样可以压制对象的产生；
2. 全局函数thePrinter被声明为此类的一个友元函数，致使thePrinter不受私有构造函数的约束；
3. thePrinter内含一个静态的Printer对象，意思是只有一个Printer对象会被产生出来。

//一旦client需要和系统中唯一那台打印机打交道，就调用thePrinter
//返回一个reference，代表一个Printer对象
//所以thePrinter可以用在任何需要Printer对象的地方：

class PrintJob
{
public:
	PrintJob(const string& whatToPrint);
	...
};
 
string buffer;
...				//把数据放进buffer内
thePrinter.reset();
thePrinter.submitJob(buffer);

//将thePrinter设置成Printer的一个static member function之后：

class Printer
{
public:
	static Printer& thePrinter();
	...
private:
	Printer();
	Printer(const Printer& rhs);
	...
};
 
PrintJob& Printer::thePrinter()
{
	static Printer p;
	return p;
}

Printer::thePrinter().reset();
Printer::thePrinter().submitJob(buffer);

//或者
using PrintingStuff::thePrinter;
thePrinter().reset();
thePrinter().submitJob(buffer);

在此thePrinter的实现代码中，有两个精细的地方值得探讨：
1. 形成唯一一个Printer对象是函数中static对象而非class中static对象：

• C++的一个哲学基础是，你不应该为你不适用的东西付出任何代价；

• “class拥有一个static对象”的意思：
  即使从未被用到，它也会被构造（及析构）；
• ”函数拥有一个static对象“的意思：
  此对象在函数第一次被调用时才产生，如果该函数从未被调用，这个对象也就绝不会诞生（然而你必须付出代价，在函数每次被调用时检查对象是否需要诞生）。

• C++对于“同一编译单元内的statics”初始化顺序是有提出一些保证的，但对于“不同编译单元内的statics”的初始化顺序没有任何说明；

• 一个function static的初始化时机：在函数第一次被调用，并且在该static被定义处；
• 一个class static（或者global static）则不一定在什么时候初始化。

2. 函数的“static对象与inline的互动”：

• inline在概念上意味着编译器应该将每一个调用以函数本身取代；
• non-member functions意味着这个函数有内部链接；程序的目标代码可能会对带有内部链接的函数复制一份以上的代码，也包括复制函数的static对象。

现在的想法是，利用numObjects来追踪目前存在多少个Printer对象。这个数值将在constructor中累加，并在destructor中递减。如果外界企图构造太多的Printer对象，我们就抛出一个类型为TooManyObjects的exception:

size_t Printer::numObjects = 0;
 
Printer::Printer()
{
	if(numObjects >= 1)
		throw TooManyObjects();
	proceed with normal construction here;
	++numObjects;
}

Printer::~Printer()
{
	perform normal desturction here;
	--numObjects;
}

不同的对象构造状态

//设计一台彩色打印机，和一般打印机有许多共同点，所以使用继承机制
class ColorPrinter:public Printer
{
	...
};

Printer p;
ColorPrinter cp;

class CPFMachine   //针对那些可影印、可打印、可传真的机器
{
private:
	Printer p;		//针对打印
	FaxMachine f;	//针对传真
	CopyMachine c;	//针对影印
	...
};
CPFMachine m1;	//没问题
CPFMachine m2;	//抛出一个TooManyObjects exception。

问题出在Printer对象可于3种不同状态下生存：
1. 它自己；
2. 派生物的“base class 成分”；
3. 内嵌于较大对象之中。

这些不同状态的呈现把”追踪目前存在的对象个数“的意义严重弄混了。

class FSA
{
public:
	//pseudo（伪）constructor
	static FSA* makeFSA();
	static FSA* makeFSA(const FSA& rhs);
	...
private:
	FSA();
	FSA(const FSA& rhs);
	...
};
 
FSA* FSA::makeFSA()
{
	return new FSA();
}
 
FSA* FSA::makeFSA(const FSA& rhs)
{
	return new FSA(rhs);
}

不像thePrinter函数总是返回一个reference代表唯一对象，这里的每一个makeFSA pseudo-constructor都返回一个指针，指向独一无二的对象。即允许产生无限个数的FSA对象。

但是每一个pseudo~constructor都调用了new，意味调用者必须记得调用delete，否则就会出现资源泄漏的问题。如果希望delete自动被调用，也可以使用auto_ptr，见【C++ Exceptions】利用destructors避免泄露资源：

//间接调用default FSA constructor
auto_ptr<FSA> pfsal(FSA::makeFSA());
//间接调用FSA copy constructor
auto_ptr<FSA> pfsa2()FSA::makeFSA(*pfsa1);

允许对象生生灭灭

将对象计数（object-counting）码和伪构造函数（pseudo-constructor）结合起来：

class Printer
{
public:
	class TooManyObjects{};
	
	//pseudo-constructor
	static Printer* makePrinter();
	~Printer();
	void submitJob(const PrintJob& job);
	void reset();
	void performSelfTest();
	...
 
private:
	static size_t numObjects;
	Printer();
	Printer(const Printer& rhs);	//不要定义此函数，我们决不允许复制行为
};
 
size_t Printer::numObjects = 0;
 
Printer::Printer()
{
	if(numObjects >= 1)
		throw TooManyObjects();
	proceed with normal object construction here;
	++numObjects;
}
 
Printer* Printer::makePrinter()
{
	return new Printer;
}

//Clients使用这个Printer class，就像使用任何其他class一样
//只不过他们必须调用pseudo-constructor，取代真正的constructor：

Printer p;								//错误！default ctor是private
Printer* p2 = Printer::makePrinter();	//没问题，间接调用default ctor
 
Printer* p3 = *p2;						//错误！copy ctor是private
 
p2->performSelfTest();                  //所有其他函数都像平常一般被调用之
p2->reset();
...
delete p2;   

这项技术很容易被泛化为“任意个数（不止一个）的对象”。我们唯一要做的就是将原来写死的常量1改为class专属的一个数值，然后将复制对象的限制去掉。例如：

//下面是修订后的Printer class，允许最多10个Printer对象同时存在
class Printer
{
public:
	class TooManyObjects{};
	
	//pseudo-constructor
	static Printer* makePrinter();
	static Printer* makePrinter(const Printer& rhs);
	~Printer();
	void submitJob(const PrintJob& job);
	void reset();
	void performSelfTest();
	...
 
private:
	static size_t numObjects;
	static const size_t maxObjects = 10;
	
	Printer();
	Printer(const Printer& rhs);	
};
 
size_t Printer::numObjects = 0;

const size_t Printer::maxObjects;
 
Printer::Printer()
{
	if(numObjects >= maxObjects)
		throw TooManyObjects();
	...
}
 
Printer::Printer(const Printer& rhs)
{
	if(numObjects >= maxObjects)
		throw TooManyObjects();
	...
}
 
Printer* Printer::makePrinter()
{
	return new Printer;
}
 
Printer* Printer::makePrinter(const Printer& rhs)
{
	return new Printer(rhs);
}

一个用来计算对象个数的Base Class

我们可以完成一个base class，作为对象计数之用，并让诸如Printer之类的classes继承它。

//令计数器为“template所产生的classes”内的一个static member：

template<class BeingCounted>
class Counted
{
public:
	class TooManyObjects{}; //可能抛出的异常
	static int objectCount(){ return numObjects;}
	
protected:
	Counted();
	Counted(const Counted& rhs);
	~Counted(){ --numObjects;}
	
private:
	static int numObjects;
	static const size_t maxObjects;
	void init();			//用来避免ctor代码重复出现
};
 
template<class BeingCounted>
Counted<BeingCounted>::Counted()
{
	init();
}
 
template<class BeingCounted>
Counted<BeingCounted>::Counted(const Counted<BeingCounted>&)
{
	init();
}
 
template<class BeingCounted>
Counted<BeingCounted>::init()
{
	if(numObjects >= maxObjects) 
		throw TooManyObjects();
	++numObjects;
}

//修改Pirnter class，让它运用Counted template：
class Printer:private Counted<Printer>
{
public:
	//pseudo-constructors
	static Printer* makePrinter);
	static Printer* makePrinter(const Printer& rhs);
	~Printer();
	using Counted<Printer>::objectCount; //让Printer用户访问objectCount
	
	void submitJob(const PrintJob& job);
	void reset();
	void performSelfTest();
	...
	using Counted<Printer>::objectCount;
	using Counted<Printer>::TooManyObjects;
	
private:
	Printer();
	Printer(const Printer& rhs);
};