C++ 特殊类设计

参考博客：https://blog.csdn.net/m0_60338933/article/details/128428932

1. 请设计一个类，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：

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。

class CopyBan
{
    // ...
    CopyBan(const CopyBan&) = delete;
    CopyBan& operator=(const CopyBan&) = delete;
    //...
};

2. 请设计一个类，只能在堆上创建对象

实现方式：

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。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作用：

设计单例模式的一个参考


class HeapOnly
{
public:
    static HeapOnly* CreateObject()
    {
        return new HeapOnly;
    }
    HeapOnly(const HeapOnly& ho) = delete;
private:
    HeapOnly()
        :_a(0)
    {}
private:
    int _a;
};

int main()
{
    //HeapOnly ho1;
    //HeapOnly* pho = new HeapOnly;

    HeapOnly* ptr = HeapOnly::CreateObject();
    //HeapOnly copy(*ptr);

    return 0;
}

3.设计一个类，只能在栈上创建对象

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。

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

class StackOnly
{
public:
    static StackOnly CreateObject()
    {
        return StackOnly();
    }
    void* operator new(size_t size) = delete;
    void operator delete(void* p) = delete;
private:
    StackOnly()
        :_a(0)
    {}
private:
    int _a;
};

int main()
{
    //StackOnly* ptr1 = new StackOnly;

    StackOnly ptr2 = StackOnly::CreateObject();
    //StackOnly* ptr3 = new StackOnly(ptr2);
    return 0;
}

4. 设计一个类，不能被继承

C++98

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

// 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() {} };

C++11

final关键字，final修饰类，表示该类不能被继承

class A final { // .... };

5. 请设计一个类，只能创建一个对象(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。

常见设计模式举例：

迭代器模式：

数据结构：数组，链表，二叉树，哈希表等

访问和修改数据结构

暴露底层结构的缺点：

访问不方便（需要熟悉底层结构）

暴露底层结构，别人可以直接访问修改数据，不便于管理（举个栗子：栈，访问top位置的数据，但是我们的top位置的数据可能不是你需要的）

统一的方式封装访问结构，底层结构不暴露

可以使用统一的方式去轻松访问容器。不关心底层是树，还是链表等。

适配器模式：

将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口，Adapter模式使得原本由于接口不兼容而不能在一起的工作的那些类可以一起工作。

例如：stack，queue，priority_queue，reverse_iterator

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。

class Chairman
{
public:
    void print()
    {
        cout << "对象调用" << endl;
    }
private:
    Chairman()  //私有构造函数
    {
        cout << "创建chairman类" << endl;
    }

public:
    static Chairman* singleman;  //类内声明chairman对象指针
};

Chairman* Chairman::singleman = new Chairman;  //类外进行初始化

int main()
{
    Chairman::singleman->print();
    return 0;
}

注意：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

#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&);

    static Singleton* m_pInstance; // 单例对象指针
    static mutex m_mtx; //互斥锁
};

Singleton* Singleton::m_pInstance = nullptr;
Singleton::CGarbo Garbo;
mutex Singleton::m_mtx;

int main()
{
    thread t1([]{cout << Singleton::GetInstance() << endl; });
    thread t2([]{cout << Singleton::GetInstance() << endl; });

    t1.join();
    t2.join();

    cout << Singleton::GetInstance() << endl;
    cout << Singleton::GetInstance() << endl;

    return 0;
}