C++进阶—特殊类设计

第一章：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

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;
	//...
};

第二章：设计一个类，只能在堆上创建对象

方案一：析构函数私有化

class HeapOnly {
public:
	////设置为静态函数的原因：它需要能够在不依赖对象实例的情况下调用，同时还要能访问私有析构函数。
	////因为都是在堆上创建的对象，只有对象的指针，而成员函数要通过对象才能调用。所以只能设置为静态函数
    ////不能在Destory里调用析构函数，因为析构是成员函数需要this才能调用，而Destory是静态成员函数没有this指针
	//static void Destory(HeapOnly* ptr) { delete ptr; }

	void Destory() { delete this; }
private:
	~HeapOnly() { cout << "~HeapOnly()" << endl; }
};
int main() {
	//在栈上创建对象时，编译器需要在对象离开作用域时自动调用析构函数来销毁对象。
	//如果析构函数是私有的，编译器无法在main函数或其他外部函数中直接调用析构函数，因此会报错。
	//hp离开作用域时，编译器尝试调用 ~HeapOnly()，但它是私有的，无法访问。
	//HeapOnly hp;//报错
	
	//堆上创建对象不会立即涉及析构函数的调用，因此可以成功。
	HeapOnly* ptr = new HeapOnly;
	//HeapOnly::Destory(ptr);//static void Destory(HeapOnly* ptr)
	ptr->Destory();
	return 0;
}

方案二：构造函数私有化

class HeapOnly {
public:
	////CreateObj() 是一个普通成员函数，必须通过一个 HeapOnly 对象调用。
	////但构造函数是私有的，你无法先创建一个 HeapOnly 对象去调用 CreateObj()，导致死锁
	//HeapOnly* CreateObj() { return new HeapOnly; }

	//static 成员函数不依赖对象实例，可以直接用 HeapOnly::CreateObj() 调用。
	static HeapOnly* CreateObj() { return new HeapOnly; }

	HeapOnly(const HeapOnly& hp) = delete;
private:
	HeapOnly() { cout << "HeapOnly()" << endl; }
};
int main() {
	//HeapOnly* ptr = new HeapOnly;//报错
	HeapOnly* ptr = HeapOnly::CreateObj();
	
	////该类还不完善，可以用拷贝构造在栈上创建对象，还需禁止拷贝构造
	//HeapOnly copy(*ptr);
	return 0;
}

第三章：设计一个类，只能在栈上创建对象

析构函数私有化无效。
栈对象的析构由编译器自动调用，如果析构函数私有化，编译器无法在作用域结束时调用析构函数，导致编译错误。栈对象必须公有析构函数，否则无法自动销毁。
 

将构造函数私有化，然后设计静态方法创建对象返回即可。

class StackOnly {
public:
	static StackOnly CreateObj() { 
		StackOnly obj;
		return obj;
	}
	
	////如果禁止拷贝构造上面无法返回对象
	//StackOnly(const StackOnly&) = delete;

	////new会调用operator new，而它是全局的，所以重载一个专属的。
	////当new这个类的对象时，就是调用该operator new，而不是全局的
	////演示实现类专属的operator new
	//void* operator new(size_t size) {
	//	cout << "void* operator new(size_t size)" << endl;
	//	return malloc(size);
	//}
	
	//禁用operator new相当于间接禁用new
	void* operator new(size_t size) = delete;

private:
	StackOnly() { cout << "HeapOnly()" << endl; }
};

int main() {
	//StackOnly ptr = new StackOnly;//报错
	StackOnly obj = StackOnly::CreateObj();

	//该类仍有缺陷。编译器会自动生成一个公有的拷贝构造函数，因此可以用已有对象 obj 来构造堆对象。
	StackOnly* ptr = new StackOnly(obj);
	return 0;
}

第四章：请设计一个类，不能被继承

C++98方式

// 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方法

final关键字，final修饰类，表示该类不能被继承。

class A  final {
	// ....
};

第五章：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。

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：实现简单
//缺点：1.可能会导致进程启动慢
//2.如果有两个单例启动先后顺序，那么饿汉无法控制
//假设有两个单例A B，要求A单例先启动，B再启动(因为B需要调用A)
//静态对象可以理解为全局对象，先初始化谁无法控制
class A {
public:
	////如果 GetInstance() 不是静态的，就必须先有一个 A 的对象才能调用它，但构造函数是私有的，无法创建对象 → 死锁。
	////因此，必须通过 static 方法直接访问 _inst，而不依赖任何实例。
	//A* GetInstance() { return &_inst; }

	static A* GetInstance() { return &_inst; }

	void Add(const string& key, const string& value) {
		_dict[key] = value;
	}

	void Print() {
		for (auto& kv : _dict)
			cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
		cout << endl;
	}
private:
	A() {};
	A(const A& aa) = delete;
	A& operator=(const A& aa) = delete;//禁用拷贝构造最好也禁用赋值
	map<string, string> _dict;
	int _n = 0;

	//静态成员变量属于类本身，而不是类的某个特定对象（因此，A::_inst是一个全局唯一的A类对象）
	//静态成员的定义是在类的作用域内完成的，所以可以访问私有构造函数
	static A _inst;
};
A A::_inst;

int main() {
	A::GetInstance()->Add("sort", "排序");
	A::GetInstance()->Add("left", "左边");
	A::GetInstance()->Add("right", "右边");
	A::GetInstance()->Print();

	////该类仍有缺陷，还要禁用拷贝构造
	//A copy(*A::GetInstance());
	//copy.Print();

	//A::GetInstance()->Add("left", "剩余");
	//A::GetInstance()->Print();//这个改了
	//copy.Print();//这个没改

	//*A::GetInstance() = *A::GetInstance();//禁用赋值，避免自己给自己赋值

	return 0;
}

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。
//懒汉模式的线程安全问题：在多线程环境下，如果多个线程同时首次调用 GetInstance()，
//可能会导致单例对象被构造多次，从而破坏单例的唯一性。
//new的懒汉对象一般不需要释放，进程正常结束会释放资源
class B {
public:
	//第一次调用该函数，_inst为空，创建B对象。
	//第二次调用该函数，_inst不为空，直接返回_inst
	static B* GetInstance() { 
		if (_inst == nullptr)
			_inst = new B;
		return _inst;
	}

	void Add(const string& key, const string& value) {
		_dict[key] = value;
	}

	void Print() {
		for (auto& kv : _dict)
			cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
		cout << endl;
	}

	//DelInstance()确实提供了双重功能：
	//a) 作为gc类的自动释放接口
	//b) 作为用户手动释放的接口
	static void DelInstance() {
		if (_inst) {
			delete _inst;//这里会调用析构
			_inst = nullptr;
		}
	}
private:
	B() {};
	~B() {
		//持久化：要求把数据写到文件
		cout << "数据写到文件" << endl;
	}
	B(const B& aa) = delete;
	B& operator=(const B& aa) = delete;//禁用拷贝构造最好也禁用赋值
	map<string, string> _dict;
	int _n = 0;

	//静态成员变量属于类本身，而不是类的某个特定对象（因此，A::_inst是一个全局唯一的A类对象）
	//静态成员的定义是在类的作用域内完成的，所以可以访问私有构造函数
	static B* _inst;

	//内部类是外部类的友元
	//gc类在这里相当于在懒汉模式中嵌入了一个"饿汉式"的辅助对象。
	//gc类的实例_gc是静态成员，会在程序启动时初始化（饿汉式）。
	//gc的析构函数会调用DelInstance()来释放单例对象。
	class gc {
	public:
		~gc() { DelInstance(); }
	};
	static gc _gc;
};
B* B::_inst = nullptr;
B::gc B::_gc;
//B::gc：表示这是 B 类内部的嵌套类 gc 类型。
//B::_gc：表示这是 B 类的静态成员变量 _gc。

int main() {
	B::GetInstance()->Add("sort", "排序");
	B::GetInstance()->Add("left", "左边");
	B::GetInstance()->Add("right", "右边");
	B::GetInstance()->Print();

	return 0;
}