C++ 特殊类设计

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前言

一.设计一个只能在堆上创建对象的类

二.设计一个只能在栈上创建对象的类

三.设计一个不能被拷贝的类

五.设计一个只能创建一个对象的类(单例模式)

单例模式:

方式一: 饿汉模式

方法二: 懒汉模式

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前言

特殊类设计是指在面向对象编程中，根据特定需求或情况，创建具备特殊功能或属性的类。特殊类设计旨在解决特定问题或满足特殊需求，使代码更加灵活和可扩展。

一.设计一个只能在堆上创建对象的类

    实现方式：

1. 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。
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

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;
};

这样设计的类将只能在堆上创建对象，并且无法通过拷贝或赋值的方式创建新对象，从而确保了对象的唯一性和创建方式的约束。

二.设计一个只能在栈上创建对象的类

     实现方式：

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 CreateObject()
{
return StackOnly();
}
private:
StackOnly() {}
};

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。
注意：也要防止定位new

class StackOnly
{
public:
StackOnly() {}
private:
void* operator new(size_t size);
void operator delete(void* p);
};

三.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。

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，就可以不能禁止拷贝了

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。

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;
//...
};

四.设计一个不能被继承的类

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()
	{}
};

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)

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。

单例模式有俩种实现方式:

方式一: 饿汉模式

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。

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 防拷贝
	Singleton(Singleton const&);
	Singleton& operator=(Singleton const&);
	// or
	// C++11
	Singleton(Singleton const&) = delete;
	Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;
	static Singleton m_instance;
};
Singleton Singleton::m_instance;

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。

方法二: 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

#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
		if (nullptr == m_pInstance) {
			m_mtx.lock();
			if (nullptr == m_pInstance) {
				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&);
	Singleton& operator=(Singleton const&);
	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;

void func(int n)
{
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
}

// 多线程环境下演示上面GetInstance()加锁和不加锁的区别。
int main()
{
	thread t1(func, 10);
	thread t2(func, 10);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
}

这些特殊类的设计目的是根据特定的需求和编程场景来确定的；

它们有助于代码的组织、可维护性、可扩展性和重用性。通过合理地设计和使用这些特殊类，可以提高代码的质量、可读性和可靠性。