【C++】特殊类设计：从构思到实现，引领设计新潮流

🌈 个人主页：Zfox_
🔥 系列专栏：C++从入门到精通

🚀 前言

💢 在C++中，类的设计往往需要考虑到特定的使用场景和需求。为了满足这些需求，有时我们需要设计一些具备特殊性质的类，例如不能被拷贝的类、只能在堆上或栈上创建对象的类、不能被继承的类，或者是只能创建一个对象的类（单例模式）。本文将探讨如何通过C++语言的特性和不同版本的标准来实现这些特殊的类设计。

一： 🔥 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。

在C++98中：
🥝 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。

在C++11中：
🥝 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;//...
}

二： 🔥 只能在堆上创建对象的类

💢 实现方式：

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。

class HeapOnly
{
public:static HeapOnly* CreateObject(){return new HeapOnly;}
private:HeapOnly() {}// C++98// 1.只声明,不实现。因为实现可能会很麻烦，而你本身不需要// 2.声明成私有HeapOnly(const HeapOnly&)；// or// C++11HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
}

🥝 说明：
1. 通过将构造函数声明为私有，我们可以防止在类外部构造对象，不管是在栈区、堆区还是静态区；但是我们的目的是要能够在堆上创建对象，所以我们需要 单独提供一个 CreateObj 成员函数，由于在类内部那么就可以调用构造函数来创建一个堆上的对象并返回指向它的指针。
1. 但是 CreateObj 函数必须是静态的，因为如果是普通成员函数，则其第一个参数是 隐藏的 this 指针，所以想要调用这个函数来创建对象就必须先有一个对象，然而在构造私有的情况下我们是不可能在类外通过其他方式创建出对象的，这就好比先有鸡还是先有蛋的问题；但 静态成员函数没有 this 指针，所以可以通过类名 + 域作用限定符的方式进行调用，而不需要通过通过对象调用。
1. 最后，我们需要删除拷贝构造函数，防止在类外通过下面这种取巧的方式来创建栈区或静态区的对象：

在这里插入图片描述

三： 🔥 只能在栈上创建对象的类

class StackOnly
{
public:static StackOnly CreateObj(){return StackOnly();}// 禁掉operator new可以把下面用new 调用拷贝构造申请对象给禁掉// StackOnly obj = StackOnly::CreateObj();// StackOnly* ptr3 = new StackOnly(obj);void* operator new(size_t size) = delete;void operator delete(void* p) = delete;
private:StackOnly():_a(0){}private:int _a;
}

🥝 说明：

💢 在类中禁用 operator new 和 operator delete 函数

new 和 delete 是 C++ 中的关键字，其底层通过调用 operator new 和 operator delete 函数来开辟与释放空间；如果类中没有重载 operator new 和 operator delete 函数，那么 new 和 delete 会去调用全局的 operator new 和 operator delete 函数，特别注意，这两个函数是普通的全局函数，而不是运算符重载，只是它们的函数名是这样。
所以，我们可以在类中重载 operator new 和 operator delete 函数，然后将它们声明为删除函数，这样就不能通过 new 和 delete 在堆上创建与销毁对象了；但是这样有一个缺陷，我们只是禁止了在堆上创建对象，但是我们仍然可以在静态区创建对象，与类的要求不符，所以还需要下面一个步骤。

💢 构造私有，提供一个在栈上创建对象的静态成员函数

这种设计方式和设计一个只能在堆上创建对象的类的思路一样，但是注意不能删除拷贝构造函数，否则就不能通过下面这种方式来构造栈对象了 StackOnly st = StackOnly::CreateObj()；
但是，不禁用拷贝构造又会导致可以通过拷贝构造创建出静态区上的对象；所以我们设计出的只能在栈上创建对象的类是有缺陷的。

四： 🔥 不能被继承的类

在C++98中：
🥝 将构造函数私有化，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(){}
}；

在C++11中：
🥝 final关键字，final修饰类，表示该类不能被继承。

class A final
{// ....
}

五： 🔥 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）是一套被反复使用的、多数人知晓的、经过分类的代码设计经验的总结。设计模式的产生过程类似于兵法的产生过程 – 在夏商周时代，由于打仗比较少，所以每次打仗基本都是单纯的对砍，人多就能获胜；但是随着周朝分封制的推行以及周王朝的衰落，各诸侯国进入春秋战国时代，经常互相征战，仗大多了就发现打仗也是要动脑子的，有许多的套路，于是有人就总结出了《孙子兵法》。设计模式也是如此，代码写的多了自然也就有人去总结一些固定的套路。

💢 使用设计模式的目的是为了提高代码可重用性、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:

💢 我们之前其实已经接触过一些设计模式了，比如迭代器模式、适配器/配接器模式，而 只能创建一个对象的类被称为单例模式。单例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方式：饿汉模式 和 懒汉模式。

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。

// 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() {};// C++98 防拷贝Singleton(Singleton const&);Singleton& operator=(Singleton const&);// or// C++11Singleton(Singleton const&) = delete;Singleton& operator=(Singleton const&) = delete;static Singleton m_instance;
}Singleton Singleton::m_instance; // 在程序入口之前就完成单例对象的初始化

🥝 1. 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。

🥝 2. 由于饿汉模式的对象在 main 函数前就被创建，所以它不存在线程安全问题，但是它也存在一些缺点：

有的单例对象构造十分耗时或者需要占用很多资源，比如加载插件、初始化网络连接、读取文件等等，会导致程序启动时加载速度慢。
饿汉模式在程序启动时就创建了单例对象，所以即使在程序运行期间并没有用到该对象，它也会一直存在于内存中，浪费了一定的系统资源。
当多个单例类存在初始化依赖关系时，饿汉模式无法控制。比如A、B两个单例类存在于不同的文件中，我们要求先初始化A，再初始化B，但是A、B谁先启动初始化是由OS自动进行调度控制的，我们无法进行控制。

这些情况使用 懒汉模式（延迟加载）更好。
懒汉模式

// 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
class Singleton {
public:static Singleton& GetInstance(){//第一次进入时创建类对象，以后进入直接返回类对象if (_psins == nullptr){_psins = new Singleton;}return *_psins;}//功能示例函数void func(){//对类中的成员变量进行增删查改或进行其他操作}Singleton(const Singleton& sin) = delete;Singleton& operator=(const Singleton& sin) = delete;private:Singleton() {}private:static Singleton* _psins;  //静态单例对象指针的声明private://类的其他成员变量 -- 此类要管理的数据
};
Singleton* Singleton::_psins = nullptr;  //单例对象指针的定义
}