C++-特殊类设计

目录禁止拷贝的类只能在堆上创建对象的类只在栈上创建对象的类不能被继承的类只能创建一个对象的类单例模式饿汉模式懒汉模式单例模式的资源回收内嵌垃圾回收类主动释放禁止拷贝的类拷贝会发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class CopyBan { // ... private: CopyBan(const CopyBan); CopyBan operator(const CopyBan); /*c11:可以直接删除这两个函数 CopyBan(const CopyBan)delete; CopyBan operator(const CopyBan)delete; */ // ... };将拷贝构造函数和赋值运算符重载只声明而不定义。这样类不会自动生成默认的拷贝构造函数和赋值运算符重载且当前只是两个函数的声明没有定义也无法调用。因此如果用户在执行流中拷贝对象就会在链接时因为找不到函数定义而报错。将拷贝构造函数和赋值运算符重载声明为私有。这是因为在public限制符下如果用户在类外定义这两个函数就可以使用拷贝构造了但是一但声明为私有就算定义了在类外也无法调用。把这两个函数声明为私有还有一个好处那就是调用拷贝构造在语法检查时就能爆出错误而不用等到编译链接时。这种方式下仍然无法完全禁止拷贝如下class CopyBan { CopyBan* getCopy() { return new CopyBan(*this);//调用了拷贝构造 } private: CopyBan(const CopyBan); CopyBan operator(const CopyBan); }; CopyBan::CopyBan(const CopyBan) { //拷贝构造的实现 }不过使用c11新引入特性delete删除相应拷贝函数无论如何也无法调用了解决了这个问题。只能在堆上创建对象的类本质就是要让我们控制创建对象的方式而创建对象与构造函数有关包括拷贝构造。class HeapOnly { public: static HeapOnly* CreateObject() { return new HeapOnly; } private: HeapOnly() {} HeapOnly(const HeapOnly) /*c11: private: HeapOnly() {} HeapOnly(const HeapOnly) delete; */ };将构造函数私有化。阻止类外使用构造函数定义对象。将拷贝构造函数只声明而不定义。这样类不会自动生成默认的拷贝构造函数且当前只是这个函数的声明没有定义也无法调用。因此类内外都无法调用拷贝构造函数所以不会有拷贝堆上的对象从而在栈上创建对象的可能。将拷贝构造函数声明为私有。这是因为在public限制符下如果用户在类外定义这个函数就可以使用拷贝构造了但是一但声明为私有就算定义了在类外也无法调用。这种方式下仍然可以在可以在栈上创建对象class HeapOnly { public: static HeapOnly* CreateObject() { return new HeapOnly; } HeapOnly func() { HeapOnly x;//在栈上定义对象 return x; } private: HeapOnly() {} HeapOnly(const HeapOnly); /*c11: private: HeapOnly() {} HeapOnly(const HeapOnly) delete; */ }; HeapOnly::HeapOnly(const HeapOnly x) { //拷贝函数 }不过不过使用c11新引入特性delete删除相应拷贝构造函数无论如何也无法调用了解决了这个问题。只在栈上创建对象的类本质就也是要让我们控制创建对象的方式而创建对象与构造函数有关包括拷贝构造。class StackOnly { public: StackOnly() :_a(0) {} void* operator new(size_t size) delete; void operator delete(void* p) delete; /* private: void* operator new(size_t size); void operator delete(void* p); 也可以这样定义来防止new和delete但是也会出现在“禁止拷贝的类”中出现的问题类外 定义operator new和operator delete在类内定义成员函数调用它们。 */ private: int _a; };将构造函数不能私有化。让用户可以在类外定义栈对象。将operator new和operator delete禁用掉。直接使类内以及全局的new重载无法调用也就无法直接在堆上创建对象了。为什么能禁用虽然operator new不是默认成员函数但如果你在类中声明了它即使是 delete编译器会优先查找类专属版本而不会再使用全局版本。也就是说在上面的例子中全局的new和delete也被类内的声明给隐藏了调用不到而类中的new和delete被删除了也掉用不了。所以对于该类来说无法new。不能被继承的类//辅助虚基类 class Base { private: Base(){} Base(const Base x){} friend class NonInherit; }; //不可被继承的类 class NonInherit: virtual public Base { public: NonInherit() {} }; /* c11 //不可被继承的类 class NonInherit final { public: NonInherit() {} }; */c11之前的无法继承的类的设计方式是依赖于虚继承的规则如果一个类继承目标类那么Base肯定是这个类的虚基类而类的构造函数一定要调用其虚基类的构造函数因为虚继承本身就是为了防止两个父类重复调用虚基类构造函数所以让子类调用虚基类构造函数但是我们把虚基类的构造函数私有了因此该类无法继承目标类。为了不影响目标类本身构造把目标类声明为Base类的友元类即可。还有一种方法是私有目标类的构造函数然后对外提供创建对象的接口c11以后使用final关键字即可防止继承。只能创建一个对象的类单例模式需要禁止一切类外的构造包括拷贝构造。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。// 饿汉模式 // 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() {}; // 防拷贝 Singleton(Singleton const); Singleton operator(Singleton const);//其实没必要禁止赋值。 /* C11 Singleton(Singleton const) delete; Singleton operator(Singleton const) delete; */ static Singleton m_instance; }; Singleton Singleton::m_instance{};//直接定义出实例来把m_instance定义为static变量原因有二获取唯一实例的接口必须是静态函数而静态函数只能访问静态变量将m_instance定义为static可以保证它只有一份饿汉模式优点线程安全每次获取实例的时候不用判断加锁也不会中途创建对象效率高一点饿汉模式缺点在一个程序中如果有多个单例并且有先后创建初始化顺序要求时饿汉无法控制。例如程序两个单例类A 和 B假设要求A先创建初始化B再创建初始化。然而静态成员谁先初始化是不确定的尤其是多个文件 单个文件可能是按顺序的。增加程序启动时间。由于饿汉模式在类加载时就创建实例所以它会增加程序启动时间。可能浪费内存空间。如果最终没有使用该对象则会浪费内存空间。懒汉模式需要的时候再创建实例。// 懒汉 // 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 iostream #include mutex #include thread 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);//其实没必要禁止赋值。 /*C11 Singleton(Singleton const) delete; Singleton operator(Singleton const) delete; */ static Singleton* m_pInstance; // 单例对象指针因为是延迟加载不能直接定义变量了 static mutex m_mtx;//互斥锁 }; //定义static成员 Singleton* Singleton::m_pInstance nullptr; Singleton::CGarbo Garbo{}; mutex Singleton::m_mtx{};该懒汉模式的写法使用了Double-Check双重校验加锁 访问GetInstance()需要加锁否则可能出现两个线程都new出一个实例的情况。加锁后要对指针进行检验防止后续申请到锁的线程再new出一个实例。这是使用加锁一重校验保证线程安全。在申请锁之前就先进行一重检验这可以有效减少线程申请锁的次数如果指针不为空就不申请锁了。这是使用一重校验保证效率懒汉模式的优点是能控制实例化多个对象的顺序。延迟初始化只有在第一次使用时才会创建单例对象避免了不必要的资源浪费。简单易实现相比其他单例模式实现方式懒汉模式更加简单直接。懒汉模式的缺点是线程不安全如果多个线程同时调用GetInstance()可能会创建多个实例。可以通过加锁来解决这个问题但会增加复杂度和降低性能。效率低单例模式的资源回收在懒汉模式中由于类中保存的是指向Singleton实例的指针如果在Singleton类的析构函数中编写Singleton实例的销毁机制比如这样~singleton() { delete m_pInstance; }析构函数只有在实例销毁的时候才调用而实例的销毁却需要析构函数这是死循环。所以不要在析构函数编写实例销毁机制。内嵌垃圾回收类在上面的懒汉模式代码中我们定义了一个内部垃圾回收类 CGarbo并且在Singleton类中定义了一个此类的静态成员 Garbo。程序结束时系统会自动析构此静态成员此时在GC类的析构函数中析构Singleton实例就可以实现m_pInstance的自动释放。优点可以自动释放单例对象避免了内存泄漏的问题。它不需要程序员手动调用 delete 来释放单例对象也不需要注册释放函数或提供释放接口。缺点只能在程序结束时释放单例对象如果需要在程序运行过程中释放单例对象则需要使用其他方法。主动释放在单例类中编写一个DestoryInstance函数通过它释放单例对象的资源当不再需要该单例对象时就可以主动调用DestoryInstance释放单例对象。下面是一个简单的示例代码class Singleton { public: static Singleton* getInstance() { if (m_pInstance nullptr) m_pInstance new Singleton(); return m_pInstance; } static void DestoryInstance() { if (m_pInstance ! nullptr) { delete m_pInstance; m_pInstance nullptr; } } private: Singleton() {} ~Singleton() {} static Singleton* m_pInstance; }; Singleton* Singleton::m_pInstance nullptr;在上面的代码中我们定义了一个静态成员函数DestoryInstance用于释放单例对象。当需要释放单例对象时只需调用此函数即可。优点可以在程序运行过程中主动释放单例对象而不需要等到程序结束时才能释放。这对于一些需要在运行过程中释放资源的应用程序来说非常有用。缺点需要程序员手动调用DestoryInstance函数来释放单例对象。如果忘记调用此函数可能会导致内存泄漏的问题。两种方法的主要区别在于释放单例对象的时机不同。使用内部垃圾回收类的方法只能在程序结束时释放单例对象而使用DestoryInstance函数的方法可以在程序运行过程中主动释放单例对象。文章参考特殊类设计及单例模式C - shawyxy - 博客园