C++第四十九弹---特殊类设计精要：不可拷贝、堆/栈限定、不可继承与单例模式

设计一个不能被拷贝的类，设计一个只能在堆上创建对象的类，设计一个只能在栈上创建对象的类，设计一个不能被继承的类，设计一个只能创建一个对象的类(单例模式)~~~

小林熬夜学编程

775人浏览 · 2024-09-12 10:23:45

小林熬夜学编程 · 2024-09-12 10:23:45 发布

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5. 设计一个只能创建一个对象的类(单例模式)

1. 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。

不能被拷贝的类举例(ostream)：

int main()
{
	ostream os(nullptr);
	// 不支持拷贝构造
	//ostream os1(os);
	return 0;
}

运行结果

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。

代码演示

// 不能被拷贝的类
class CopyBan
{
public:
	// 强制生成默认构造，写了拷贝构造不会自动生成默认构造
	CopyBan() = default;
	// ...
private:
	CopyBan(const CopyBan&);
	CopyBan& operator=(const CopyBan&);
	//...
};
int main()
{
	CopyBan cb;
	// 不能拷贝
	//CopyBan cb1(cb);
	// 不能赋值重载
	CopyBan cb2;
	//cb2 = cb;
	return 0;
}

运行结果

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。

代码演示

class CopyBan
{
public:
	CopyBan() = default;
	//...
	CopyBan(const CopyBan&) = delete;
	CopyBan& operator=(const CopyBan&) = delete;
	//...
};
int main()
{
	CopyBan cb;
	// 不能拷贝
	//CopyBan cb1(cb);
	// 不能赋值重载
	CopyBan cb2;
	//cb2 = cb;
	return 0;
}

运行结果

2. 设计一个只能在堆上创建对象的类

方式一：
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。

代码演示

// 只能在堆上创建的类
class OnlyHeap
{
public:
	static OnlyHeap* CreateObj()
	{
		return new OnlyHeap;
	}
	// C++11 不允许生成拷贝构造和赋值
	OnlyHeap(const OnlyHeap&) = delete;
	OnlyHeap& operator=(const OnlyHeap&) = delete;
private:
	// 构造函数私有
	OnlyHeap()
	{}
};
int main()
{
	// 不能直接实例化对象
	//OnlyHeap obj1;

	// 通过静态成员函数new对象
	OnlyHeap* p1 = OnlyHeap::CreateObj();
	// 可以调用拷贝构造实例化对象，加delete则不能生成对象
	//OnlyHeap obj2(*p1);

	// 不能直接new对象
	//OnlyHeap* p2 = new OnlyHeap;
	return 0;
}

运行结果

方式二：直接将析构函数私有

代码演示

class OnlyHeap
{
public:
	void Release()
	{
		delete this;
	}
private:
	// 将析构私有
	~OnlyHeap()
	{}
    int _a = 1;
};
int main()
{
	// 不能直接实例化对象
	//OnlyHeap obj1;

	OnlyHeap* p1 = new OnlyHeap;
	//delete p1;// 无法访问析构函数
	p1->Release();
	return 0;
}

运行结果

3. 设计一个只能在栈上创建对象的类

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。

代码演示

// 只能在栈区创建对象
class StackOnly
{
public:
	static StackOnly CreateObj()
	{
		return StackOnly();
	}
	// 不允许new delete函数生成，则不能再堆区实例化对象 
	void* operator new(size_t size) = delete;
	void operator delete(void* p) = delete;
private:
	StackOnly()
		:_a(0)
	{}
private:
	int _a;
};
int main()
{
	StackOnly obj = StackOnly::CreateObj();

	// 使用对象拷贝
	//StackOnly* p1 = new StackOnly(obj);
	return 0;
}

运行结果

4. 设计一个不能被继承的类

C++98方式

代码演示

// 不能被继承的类
// 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()
	{}
};

class A : public NonInherit
{
private:
	int _a1 = 1;
};
int main()
{
	NonInherit ni = NonInherit::GetInstance();
	//A aa1;
	return 0;
}

运行结果

C++11

ﬁnal关键字，ﬁnal修饰类，表示该类不能被继承。

代码演示

class A final
{
	// ....
};
class B : public A
{

};

运行结果

5. 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。为什么会产生设计模式这样的东西呢？就像人类历史发展会产生兵法。最开始部落之间打仗时都是人拼人的对砍。后来春秋战国时期，七国之间经常打仗，就发现打仗也是有套路的，后来孙子就总结出了《孙子兵法》。孙子兵法也是类似。

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

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。

代码演示

// 单例模式，只能创建一个对象
// 饿汉模式，启动程序时(main函数之前)就实例化一个对象
class ConfigInfo
{
public:
	static ConfigInfo* GetInstance()
	{
		return &_sInfo;
	}

	string GetIp()
	{
		return _ip;
	}

	void SetIp(const string& ip)
	{
		_ip = ip;
	}
private:
	ConfigInfo()
	{
		cout << "ConfigInfo()" << endl;
	}
	ConfigInfo(const ConfigInfo&) = delete;
	ConfigInfo& operator=(const ConfigInfo&) = delete;
private:
	string _ip = "192.168.1.1";
	int _port = 88;
	// 声明
	static ConfigInfo _sInfo;
};

ConfigInfo ConfigInfo::_sInfo; // 在程序入口之前就完成单例对象的初始化

int main()
{
	cout << ConfigInfo::GetInstance() << endl;
	cout << ConfigInfo::GetInstance() << endl;
	cout << ConfigInfo::GetInstance() << endl;

	ConfigInfo::GetInstance()->SetIp("128.188.25.14");
	cout << ConfigInfo::GetInstance()->GetIp();
	return 0;
}

运行结果

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。

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。

代码演示

// 懒汉模式 第一次调用GetInstance时创建单例对象
class ConfigInfo
{
public:
	static ConfigInfo* GetInstance()
	{
		// C++11之前也能保证线程安全

		// 双检查加锁
		if (_psinfo == nullptr)// 性能，只需要开辟内存一次
		{
			unique_lock<mutex> lock(_mtx);
			if (_psinfo == nullptr)// 线程安全
			{
				_psinfo = new ConfigInfo;
			}
		}
		return _psinfo;
	}

	string GetIp()
	{
		return _ip;
	}

	void SetIp(const string& ip)
	{
		_ip = ip;
	}
private:
	ConfigInfo()
	{
		cout << "ConfigInfo()" << endl;
	}
	ConfigInfo(const ConfigInfo&) = delete;
	ConfigInfo& operator=(const ConfigInfo&) = delete;
private:
	string _ip = "192.168.1.1";
	int _port = 88;

	static ConfigInfo* _psinfo;
	static mutex _mtx;
};

ConfigInfo* ConfigInfo::_psinfo = nullptr;
mutex ConfigInfo::_mtx;

int main()
{
	cout << ConfigInfo::GetInstance() << endl;
	cout << ConfigInfo::GetInstance() << endl;
	cout << ConfigInfo::GetInstance() << endl;

	ConfigInfo::GetInstance()->SetIp("128.188.25.14");
	cout << ConfigInfo::GetInstance()->GetIp();
	return 0;
}

运行结果