【C++】特殊类的设计

一、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。

有以下两种方法，分别是C++98和C++11；

• 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，如下：

				class CopyBan
				{
				public:
					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，如下：

				class CopyBan
				{
				public:
					CopyBan()
					{}
				
				private:
					CopyBan(const CopyBan&) = delete;
					CopyBan& operator=(const CopyBan&) = delete;
				};

二、设计一个只能在堆上创建对象的类

• 方法一：析构函数私有化

将析构函数私有化可以保证不能直接创建对象，因为不能直接调用析构函数，所以只能使用 new 在堆上申请空间。那么问题来了，该怎么释放空间呢？很简单，我们直接提供一个接口，释放 this 指针即可。如下：

				class HeapOnly
				{
				public:
					void Destroy()
					{
						delete this;
					}
				
				private:
					~HeapOnly()
					{
						cout << "~HeapOnly()" << endl;
					}
				};

我们测试一下看看：

				int main()
				{
					HeapOnly* hp = new HeapOnly;
					hp->Destroy();
				
					return 0;
				}

• 方法二：构造函数私有化

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

如下：

				class HeapOnly
				{
				public:
					static HeapOnly* CreateObj()
					{
						return new HeapOnly;
					}
				
				private:
					HeapOnly()
					{}
				
					HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
					HeapOnly& operator=(const HeapOnly&) = delete;
				};

创建对象的方法：

				int main()
				{
					HeapOnly* hp = HeapOnly::CreateObj();
					return 0;
				}

三、设计一个只能在栈上创建对象的类

思路还是和上面的类似，首先我们先把构造函数私有化，并提供一个返回在栈上创建对象的接口，如下：

				class StackOnly
				{
				public:
					static StackOnly CreateObj()
					{
						StackOnly obj;
						return obj;
					}
				private:
					StackOnly()
					{}
				};

但是这时候还存在另一个问题，还没有完全把 new 禁掉，例如以下代码还是可以通过的：

				int main()
				{
					StackOnly st1 = StackOnly::CreateObj();
					StackOnly* st2 = new StackOnly(st1);
				
					return 0;
				}

那么如果我们把拷贝构造也禁掉呢？在这里是不行的，因为我们返回栈上的对象的接口 CreateObj() 是传值返回，需要拷贝构造函数。所以另外一个方法就是在类里面写一个 operator new 并禁掉。为什么这样可以呢？其实，如果我们使用 new，默认调的是全局的 new，但是如果我们在类中写一个 operator new，那么当我们 new 一个该类的对象时，会优先调用我们自己写的 operator new，所以我们只需要把自己写的 operator new 禁掉即可，如下：

				class StackOnly
				{
				public:
					static StackOnly CreateObj()
					{
						StackOnly obj;
						return obj;
					}
				
					// 实现类专属的 operator new
					void* operator new(size_t size) = delete;
				private:
					StackOnly()
					{}
				};

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，如下：

				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。如下：

				class NonInherit final
				{
				public:
					NonInherit()
					{}
				private:
					// ...
				};

五、单例模式

单例模式就是，设计一个只能创建一个对象的类。首先我们先了解一下设计模式。

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。

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

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。

首先我们必须将构造函数、拷贝构造和赋值重载私有化。饿汉模式是在程序启动时就创建并初始化一个唯一的对象，所以我们可以使用一个全局静态变量，全局变量是进入 main 函数之前就完成初始化的，所以设为全局变量；而静态是为了能在私有化构造函数的类中创建对象，我们在类和对象部分也讲过，static 的类成员不算该类的成员，静态成员变量属于所有类的对象，属于整个类，即属于整个 Singleton 类。 我们将 GetInstance() 函数也设为静态成员函数，因为在类外只需要突破类域就能访问该函数。饿汉模式的单例模式设计如下：

				class Singleton
				{
				public:
					static Singleton* GetInstance()
					{
						return &_inst;
					}
				
				private:
					static Singleton _inst;  // 声明
				
					Singleton()
					{}
					Singleton(const Singleton&) = delete;
					Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
				};
				
				// 定义
				Singleton Singleton::_inst;

我们也可以返回它的引用，并写一个 Print() 函数进行测试：

				class Singleton
				{
				public:
					static Singleton& GetInstance()
					{
						return _inst;
					}
				
					void Print()
					{
						cout << "void Print()" << endl;
					}
				
				private:
					static Singleton _inst;  // 声明
				
					Singleton()
					{}
					Singleton(const Singleton&) = delete;
					Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
				};
				
				// 定义
				Singleton Singleton::_inst;

• 饿汉模式的优点：实现简单
• 饿汉模式的缺点：可能会导致进程启动慢；如果两个单例有启动先后顺序，那么饿汉无法控制

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。因为在程序启动前需要进行初始化，如果需要初始化的资源很多，就会降低程序的启动速度。

2. 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， 初始化网络连接，读取文件等等，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。懒汉模式就是在我们需要使用时，才给我们创建对象。

懒汉模式不用在程序启动时就准备好对象，所以我们只需要初始化一个空指针即可，因为空指针不费资源，初始化也很快。在用户调用 GetInstance() 函数时，说明需要创建对象，我们再在函数内部判断是否已经初始化过该对象，即判断 _inst 是否为空，如果为空则 new 一个对象给它并返回，否则直接返回。这样就完成了单例模式的懒汉模式，代码如下：

				class Singleton
				{
				public:
					static Singleton* GetInstance()
					{
						if (_inst == nullptr)
						{
							_inst = new Singleton;
						}
						return _inst;
					}
				private:
					static Singleton* _inst;
				
					Singleton()
					{}
					Singleton(const Singleton&) = delete;
					Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
				};
				Singleton* Singleton::_inst = nullptr;

注意，new 的懒汉对象一般不需要释放，进程正常结束会释放资源；但是如果需要做一些动作，比如持久化(持久化：要求把数据写到文件)，那么可以利用 gc 类 static 对象搞定。如下代码：

				class Singleton
				{
				public:
					static Singleton* GetInstance()
					{
						if (_inst == nullptr)
						{
							_inst = new Singleton;
						}
						return _inst;
					}
				
					// 使用 delete 调用析构函数
					static void DelInstance()
					{
						if (_inst)
						{
							delete _inst;
							_inst = nullptr;
						}
					}
				private:
					static Singleton* _inst;
				
					Singleton()
					{}
					Singleton(const Singleton&) = delete;
					Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
				
					~Singleton()
					{
						cout << "持久化动作..." << endl;
					}
				
					class gc
					{
					public:
						~gc()
						{
							DelInstance();
						}
					};
					// 该对象会在 main 函数结束后自动调用析构函数
					static gc _gc;
				};
				Singleton* Singleton::_inst = nullptr;
				Singleton::gc Singleton::_gc;

上述代码中，_gc 对象在 main 函数结束后会自动调用它自己的析构函数，所以我们在它的析构函数调用 DelInstance() 函数，而 DelInstance() 函数是 Singleton 类的一个静态成员函数，我们在 DelInstance() 函数中使用 delete _inst，使它调用 Singleton 类的析构函数，这样我们就可以在析构函数里面做持久化的动作。

• 懒汉模式的优点：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；
• 懒汉模式的缺点：复杂。

有关懒汉模式还有线程安全问题需要解决，我们后面再解决…