C++——特殊类设计

目录

前言

一，请设计一个不能被拷贝的类

二，请设计一个只能在堆上创建对象的类

2.1 思路一：构造函数私有

2.2 思路二，析构函数私有

三，请设计一个只能在栈上创建对象的类

四，请设计一个只能创建一个对象的类（单例模式）

4.1 关于设计模式

4.2 单例模式

4.3 饿汉模式

4.4 懒汉模式

前言

C++的类是C++这门面向对象语言的精华所在，C++的类设计在众多OO语言中也是非常具有代表性的存在。所以，原本的类功能已经可以满足我们大部分的需求，但是随着编程语言的不断发展和实际应用的持续复杂，类原本的功能可能会有一部分失效或缺陷。

所以就有了特殊类设计，通过设计特殊的类来应对特殊的各种情况。正所谓对症下药。下面给出了部分特殊类设计

一，请设计一个不能被拷贝的类

不能被拷贝的类我们在智能指针的unique_ptr已经初步认识过了，要想一个类不能被拷贝，只要想办法把它的拷贝构造和赋值重载干掉即可，如下代码：C++98和C++11的处理方式不同

class BanCopy
{//C++98的处理方式
private:/*BanCopy(const BanCopy&);BanCopy& operator=(const BanCopy&);*/
public:BanCopy(int a = 0):_a(a){cout << "BanCopy()" << endl;}~BanCopy(){cout << "~BanCopy" << endl;}//C++11的处理方式BanCopy(const BanCopy&) = delete;BanCopy& operator=(const BanCopy&) = delete;
private:int _a;
};int main()
{BanCopy a(1);BanCopy b(a);
}

二，请设计一个只能在堆上创建对象的类

2.1 思路一：构造函数私有

class HeapOnly
{
public://提供一个公有的获取对象的方式，对象控制是new出来的static HeapOnly* CreateObj(){return new HeapOnly;}//防拷贝HeapOnly(const HeapOnly& hp) = delete;HeapOnly& operator=(const HeapOnly& hp) = delete;
private:HeapOnly():_a(0){}
private:int _a;
};
//构造函数私有
void main3()
{/*HeapOnly hp1;static HeapOnly hp2;*///HeapOnly* hp3 = CreateObj();//上面这一条语句是先有鸡还是先有蛋的问题，我们可以通过CreateObj来创建对象，但是我们只有先创建对象才能调用CreateObj//把CreateObj定义成static就可以了HeapOnly* hp3 = HeapOnly::CreateObj();delete hp3;//HeapOnly* copy(hp3);
}

2.2 思路二，析构函数私有

class HeapOnly
{
public:/*static void Delete(HeapOnly* ptr){delete ptr;}*///两种方式都可以void Delete(){delete this;}
private:~HeapOnly(){cout << "~HeapOnly" << endl;}
private:int _a;
};//析构函数私有
void main()
{/*HeapOnly hp1;static HeapOnly hp2;*/HeapOnly* ptr = new HeapOnly;//HeapOnly::Delete(ptr);ptr->Delete();
}

三，请设计一个只能在栈上创建对象的类

class StackOnly
{
public:static StackOnly CreateObj(){StackOnly st;return st;}// 不能防拷贝//StackOnly(const StackOnly& st) = delete;//StackOnly& operator=(const StackOnly& st) = delete;void* operator new(size_t n) = delete;
private:// 构造函数私有StackOnly():_a(0){}
private:int _a;
};void main4()
{StackOnly st1 = StackOnly::CreateObj();//拷贝构造static StackOnly copy2(st1);//本来不能拷贝的，用防拷贝，但是这样又会限制上面的CreateObj，不好处理，算是一个小缺陷//StackOnly* copy = new StackOnly(st1); 要防止栈上的数据拷贝到堆上可以把new禁掉
}

四，请设计一个只能创建一个对象的类（单例模式）

4.1 关于设计模式

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。而它产生的原因就好比我们中国古代兵法的产生，最开始各部落之间打仗就是拼人数，无技术含量的对砍，后来春秋战国后，各国也经常打仗，后来发现打仗也是有套路的，后来就有了《孙子兵法》

而使用设计模式的目的：提高代码可重用性，和可理解性，保证代码可靠性。设计模式使代码真正工程化，是软件工程的基石。

4.2 单例模式

一个类只能创建一个对象，即单例模式。该模式保证系统中该类只有一个实例化对象，并提供一个访问它的全局访问点，并且该实例被所有程序模块共享。

简单来说：保证一些数据（一个进程中）全局只有唯一一份，并且方便访问
①把这些数据放进一个类里面，把这个类设计出单例类
②封死构造和拷贝，提供一个static公有获取单例对象地函数
③如何创建单例对象，饿汉和懒汉

单例new对象释放问题：
①一般情况下，单例对象不需要释放的。因为一般整个程序运行期间都可能会用它。
单例对象在进程正常结束后，也会资源释放。
②有些特殊场景需要释放

4.3 饿汉模式

在main函数开始之前就创建出唯一对象

优点：代码简单，并且无线程安全问题，因为是在main函数之前创建的

缺点：

①一个程序中如果有多个单例需要被创建，并且这多个单例有创建顺序时，饿汉无法控制创建顺序

②饿汉单例类如果初始化任务多，会影响程序启动速度

class Singleton1
{
public://要保证每次获取的对象都是同一个对象，自己定义一个静态的自己类型的对象或指针static Singleton1* GetInstance(){return _pinst;}void Add(const string& str){_mtx.lock();_v.push_back(str);_mtx.unlock();}void Print(){_mtx.lock();for (auto& e : _v){cout << e << endl;;}cout << endl;_mtx.unlock();}
private://构造函数私有化，是为了限制在类外面随意创建对象Singleton1(){}Singleton1(const Singleton1& s) = delete;Singleton1& operator=(const Singleton1& s) = delete;
private:mutex _mtx;vector<string> _v;//static Singleton _inst;//声明static Singleton1* _pinst; // 声明
};//静态的必须在类外面初始化
//Singleton1 Singleton1::_inst = new Singleton1;
Singleton1* Singleton1::_pinst = new Singleton1;//线程安全地往里面添加数据
void main()
{srand(time(0));int n = 100;thread t1([n]() {for (size_t i = 0; i < n; i++){Singleton1::GetInstance()->Add("t1线程：" + to_string(rand()));}});thread t2([n]() {for (size_t i = 0; i < n; i++){Singleton1::GetInstance()->Add("t2线程：" + to_string(rand()));}});t1.join();t2.join();Singleton1::GetInstance()->Print();
}

4.4 懒汉模式

饿汉模式有程序启动时间增长的问题，所以我们可以用懒汉模式，它表示当我们第一次要使用对象时再创建实例对象

优点：①不需要控制创建顺序  ②不影响启动速度

缺点：①代码实现相比饿汉更复杂，这个在下面的代码中会深有体会  ②线程安全问题要处理好，因为如果不对临界区做保护会造成很严重的后果

class Singleton2
{
public:static Singleton2* GetInstance(){//每次获取对象都要加锁解锁，但是我们只需要第一次new地时候加锁解锁//双检查加锁if (_pinst == nullptr) //这个时为了提供效率，不需要每次获取单例都加锁解锁{_imtx.lock();if (_pinst == nullptr) //这个才是保证线程安全和只new一次{_pinst = new Singleton2;}_imtx.unlock();}return _pinst;}void Add(const string& str){//添加数据时要保证线程安全_vmtx.lock();_v.push_back(str);_vmtx.unlock();}void Print(){_vmtx.lock();for (auto& e : _v){cout << e << endl;;}cout << endl;_vmtx.unlock();}class CGarbo{public:~CGarbo(){if (_pinst){delete _pinst;_pinst = nullptr;}}};//上面那个是自动释放，我们也可以显示手动释放static void DelInstance(){_imtx.lock();if (_pinst){delete _pinst;_pinst = nullptr;}_imtx.unlock();}private://构造函数私有化，还有防拷贝Singleton2(){}Singleton2(const Singleton2& s) = delete;Singleton2& operator=(const Singleton2& s) = delete;
private:mutex _vmtx;vector<string> _v;static Singleton2* _pinst;//声明static mutex _imtx;
};//定义
Singleton2* Singleton2::_pinst = nullptr;
mutex Singleton2::_imtx;//回收对象，main函数结构后，他会调用析构函数，就会释放单例对象
static Singleton2::CGarbo gc;void main6()
{srand(time(0));int n = 100;thread t1([n]() {for (size_t i = 0; i < n; i++){Singleton2::GetInstance()->Add("t1线程：" + to_string(rand()));}});thread t2([n]() {for (size_t i = 0; i < n; i++){Singleton2::GetInstance()->Add("t2线程：" + to_string(rand()));}});t1.join();t2.join();Singleton2::GetInstance()->Print();
}

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