一篇文章带你了解C++特殊类的设计

一篇文章带你了解C++特殊类的设计

目录

设计一个类,只能在堆上创建对象

设计一个类,只能在栈上创建对象

设计一个类,不能被拷贝

设计一个类,不能继承

设计一个类,只能创建一个对象(单例模式)

单例模式的概念

单例模式的实现

饿汉模式

懒汉模式

饿汉模式和懒汉模式的对比

懒汉模式的优化

单例对象的释放

单例对象的直接释放

内部垃圾回收类

总结

设计一个类,只能在堆上创建对象

想要的效果实际是没法直接在栈上创建对象。

首先cpp只要创建对象就要调用构造函数,因此先要把构造函数ban掉,把构造函数设计成private。但是单这样自己也创建不了了。

因此提供一个创建的接口,只能调用该接口,该接口内部写new。而且要调用该接口需要先有对象指针调用,而要有对象先得调用构造函数实例化,因此必须设计成静态函数

但是注意这样还有拷贝函数可以调用HeapOnly copy(*p)。此时生成的也是栈上的对象。因此要拷贝构造私有,并且只声明不实现(实现也是可以的,但是没人用)。这种方式在c++98中叫防拷贝,比如互斥锁。

#include<iostream> using namespace std; class HeapOnly { private: HeapOnly() { } //C++98——防拷贝 HeapOnly(const HeapOnly&); public: static HeapOnly* CreateObj() { return new HeapOnly; } }; int main() { HeapOnly* p = HeapOnly::CreateObj(); return 0; }

对于防拷贝,C++11中有新的方式。函数=delete

#include<iostream> using namespace std; class HeapOnly { private: HeapOnly() { } public: static HeapOnly* CreateObj() { return new HeapOnly; } //C++11——防拷贝 HeapOnly(const HeapOnly&) =delete; }; int main() { HeapOnly* p = HeapOnly::CreateObj(); return 0; }

总结:

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

设计一个类,只能在栈上创建对象

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。

由于返回临时对象,因此不能禁掉拷贝构造。

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

方法二:调用类自己的专属的operator new和operator delete,设置为私有。

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。new先调用operator new申请空间,然后调用构造函数。delete先调用析构函数释放对象所申请的空间,再调用operator delete释放申请的对象空间。

class StackOnly { public: StackOnly() {} private: //C++98 void* operator new(size_t size); void operator delete(void* p); }; int main() { static StackOnly st;//缺陷,没有禁掉静态区的。 } class StackOnly { public: StackOnly() {} //C++11 void* operator new(size_t size) = delete; void operator delete(void* p) = delete; }; int main() { static StackOnly st;//缺陷,没有禁掉静态区的。 } 设计一个类,不能被拷贝

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; //... }; 设计一个类,不能继承

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() {} }; class B : public NonInherit {}; int main() { //C++98中这个不能被继承的方式不够彻底,实际是可以继承,限制的是子类继承后不能实例化对象 B b; return 0; }

C++11为了更直观,加入了final关键字

class A final { }; class C: A {}; 设计一个类,只能创建一个对象(单例模式)

之前接触过了适配器模式和迭代器模式。

可以再看看工厂模式,观察者模式等等常用一两个的。

单例模式的概念

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。

1.如何保证全局(一个进程中)只有一个唯一的实例对象

参考只能在堆上创建对象和在栈上创建对象,禁止构造和拷贝构造及赋值。

提供一个GetInstance获取单例对象。

2.如何提供只有一个实例呢?

饿汉模式和懒汉模式。

单例模式的实现 饿汉模式

饿汉模式:程序开始main执行之前就创建单例对象,提供一个静态指向单例对象的成员指针,初始时new一个对象给它。

class Singleton { public: static Singleton* GetInstance() { return _inst; } void Print() { cout<<"Print() "<<_val<<endl; } private: Singleton() :_val(0) {} Singleton(const Singleton& ) =delete; Singleton(const Singleton& ) =delete; static Singleton* _inst; int _val; }; Singleton* Singleton::_inst = new Singleton; int main() { cout<<Singleton::GetInstance()<<endl; cout<<Singleton::GetInstance()<<endl; cout<<Singleton::GetInstance()<<endl; Singleton::GetInstance()->Print(); } 懒汉模式

懒汉模式

懒汉模式出现的原因,单例类的构造函数中要做很多配置初始化工作,那么饿汉就不合适了,会导致程序启动很慢。

linux是Posix的pthread库,windows下有自己的线程库。因此要使用条件编译保证兼容性。因此c++11为了规范提供了语言级别的封装(本质也是条件编译,库里实现了)。

关于保护第一次需要加锁,后面都不需要加锁的场景的可以使用双检查加锁。

#include<mutex> #ifdef _WIN32 //windos 提供多线程api #else //linux pthread #endif // class Singleton { public: static Singleton* GetInstance() { //保护第一次需要加锁,后面都不需要加锁的场景,可以使用双检查加锁 //特点:第一次加锁,后面不加锁,保护线程安全,同时提高了效率 if( _inst == nullptr) { _mtx.lock(); if( _inst == nullptr ) { _inst = new Singleton; } _ntx.unlock(); } return _inst; } void Print() { cout<<"Print() "<<_val<<endl; } private: Singleton() :_val(0) {} Singleton(const Singleton& ) =delete; Singleton(const Singleton& ) =delete; static Singleton* _inst; static std::mutex _mtx; int _val; }; Singleton* Singleton::_inst = nullptr; std::mutex Singleton::_mtx;//()默认无参构造函数 int main() { Singleton::GetInstance()->Print(); } 饿汉模式和懒汉模式的对比

饿汉模式优点:简单

缺点:如果单例对象构造函数工作比较多,会导致程序启动慢,迟迟进不了入口main函数。

如果有多个单例对象,他们之间有初始化的依赖关系,饿汉模式也会有问题。比如有A和B两个单例类,要求A单例先初始化,B必须在A之后初始化,那么饿汉无法保证。这种场景下用懒汉模式,懒汉可以先调用A::GetInstance(),再调用B::GetInstance()。

懒汉模式优点:解决了饿汉的缺点,因为他是第一次调用GetInstance时创建初始化单例对象

缺点:相对饿汉复杂一点。

懒汉模式的优化

实现了”更懒“。

缺点:单例对象在静态区,如果单例对象太大,不合适。再挑挑刺,这个静态对象无法主动控制释放。

#include<mutex> #ifdef _WIN32 //windos 提供多线程api #else //linux pthread #endif // //其他版本懒汉 class Singleton { public: static Singleton* GetInstance() { static Singleton inst; return &inst; } void Print() { cout<<"Print() "<<_val<<endl; } private: Singleton() :_val(0) {} Singleton(const Singleton& ) =delete; Singleton(const Singleton& ) =delete; static std::mutex _mtx; int _val; }; std::mutex Singleton::_mtx;//()默认无参构造函数 int main() { Singleton::GetInstance()->Print(); } #include<mutex> #ifdef _WIN32 //windos 提供多线程api #else //linux pthread #endif // //其他版本懒汉 class Singleton { public: static Singleton* GetInstance() { static Singleton inst; return &inst; } void Print() { cout<<"Print() "<<_val<<endl; } private: Singleton() :_val(0) {} Singleton(const Singleton& ) =delete; Singleton(const Singleton& ) =delete; static std::mutex _mtx; int _val; }; std::mutex Singleton::_mtx;//()默认无参构造函数 int main() { Singleton::GetInstance()->Print(); } 单例对象的释放

单例对象一般不需要释放。全局一直用的不delete也没问题,进程如果正常销毁,进程会释放对应资源。

单例对象的直接释放 #include<mutex> #ifdef _WIN32 //windos 提供多线程api #else //linux pthread #endif // class Singleton { public: static Singleton* GetInstance() { //保护第一次需要加锁,后面都不需要加锁的场景,可以使用双检查加锁 //特点:第一次加锁,后面不加锁,保护线程安全,同时提高了效率 if( _inst == nullptr) { _mtx.lock(); if( _inst == nullptr ) { _inst = new Singleton; } _ntx.unlock(); } return _inst; } static void DelInstance()/*调的很少,可以双检查也可以不双检查*/ { _mtx.lock(); if(!_inst) { delete _inst; _inst=nullptr; } _mtx.unlock(); } void Print() { cout<<"Print() "<<_val<<endl; } private: Singleton() :_val(0) { //假设单例类构造函数中,需要做很多配置初始化 } ~Singletion() { //程序结束时,需要处理一下,持久化保存一些数据 } Singleton(const Singleton& ) =delete; Singleton(const Singleton& ) =delete; static Singleton* _inst; static std::mutex _mtx; int _val; }; Singleton* Singleton::_inst = nullptr; std::mutex Singleton::_mtx;//()默认无参构造函数 int main() { Singleton::GetInstance()->Print(); } 内部垃圾回收类

上述场景其实还是可以扩展的。

假设析构函数有一些数据需要保存一下,持久化一下,不调用析构函数会存在问题,因此需要调用析构函数的时候处理。这就得保证main函数结束的时候保证调用析构(private)。

但是显式调用DelInstance可能会存在遗忘。

#include<mutex> #ifdef _WIN32 //windos 提供多线程api #else //linux pthread #endif // class Singleton { public: static Singleton* GetInstance() { //保护第一次需要加锁,后面都不需要加锁的场景,可以使用双检查加锁 //特点:第一次加锁,后面不加锁,保护线程安全,同时提高了效率 if( _inst == nullptr) { _mtx.lock(); if( _inst == nullptr ) { _inst = new Singleton; } _ntx.unlock(); } return _inst; } void Print() { cout<<"Print() "<<_val<<endl; } private: Singleton() :_val(0) { //假设单例类构造函数中,需要做很多配置初始化 } ~Singletion() { //程序结束时,需要处理一下,持久化保存一些数据 } Singleton(const Singleton& ) =delete; Singleton(const Singleton& ) =delete; //实现一个内嵌垃圾回收类 class CGarbo{ public: ~CGarbo() { //DelInstance(); if(_inst) { delete _inst; _inst = nullptr; } } } static Singleton* _inst; static std::mutex _mtx; static GCarbo _gc;//定义静态gc对象,帮助我们进行回收 int _val; }; Singleton* Singleton::_inst = nullptr; std::mutex Singleton::_mtx;//()默认无参构造函数 Singleton::CGarbo Singleton::_gc; int main() { Singleton::GetInstance()->Print(); } 总结

本篇文章就到这里了,希望能够给你带来帮助,也希望您能够多多关注易知道(ezd.cc)的更多内容!   

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