【C++———类的新功能以及特殊类的设计】-优快云博客

1.1、【新的默认成员函数】

在C++11之前，一个类中有如下六个默认成员函数：

构造函数。
析构函数。
拷贝构造函数。
拷贝赋值函数。
取地址重载函数。
const取地址重载函数。

其中前四个成员函数最重要，后面两个成员函数一般不会用到，这里“默认”的意思就是你不写编译器会自动生成。在C++11标准中又增加了两个默认成员函数，分别是移动构造函数和移动赋值重载函数。

1.2、【默认移动构造和移动赋值的生成条件】

C++11中新增的移动构造函数和移动赋值函数的生成条件如下：

移动构造函数的生成条件：没有自己实现移动构造函数，并且没有自己实现析构函数、拷贝构造函数和拷贝赋值函数。
移动赋值重载函数的生成条件：没有自己实现移动赋值重载函数，并且没有自己实现析构函数、拷贝构造函数和拷贝赋值函数。

也就是说，移动构造和移动赋值的生成条件与之前六个默认成员函数不同，之前的六个默认成员函数是，我们不写编译器就会自动生成，而这里并不是单纯的没有实现移动构造和移动赋值编译器就会默认生成。

特别注意：

如果我们自己实现了移动构造或者移动赋值，就算没有实现拷贝构造和拷贝赋值，编译器也不会生成默认的拷贝构造和拷贝赋值。

1.3、【默认生成的移动构造和移动赋值的作用】

默认生成的移动构造函数：对于内置类型的成员会完成值拷贝（浅拷贝），对于自定义类型的成员，如果该成员实现了移动构造就调用它的移动构造，否则就调用它的拷贝构造。
默认生成的移动赋值重载函数：对于内置类型的成员会完成值拷贝（浅拷贝），对于自定义类型的成员，如果该成员实现了移动赋值就调用它的移动赋值，否则就调用它的拷贝赋值。

接下来我们验证一下默认生成的移动构造和移动赋值确实做了上述工作，这里需要模拟实现一个简化版的string类，类当中只编写了几个我们需要用到的成员函数。

代码：
namespace xzc
{
	class string
	{
	public:
		//构造函数
		string(const char* str = "")
		{
			_size = strlen(str); //初始时，字符串大小设置为字符串长度
			_capacity = _size; //初始时，字符串容量设置为字符串长度
			_str = new char[_capacity + 1]; //为存储字符串开辟空间（多开一个用于存放'\0'）
			strcpy(_str, str); //将C字符串拷贝到已开好的空间
		}
		//交换两个对象的数据
		void swap(string& s)
		{
			//调用库里的swap
			std::swap(_str, s._str); //交换两个对象的C字符串
			std::swap(_size, s._size); //交换两个对象的大小
			std::swap(_capacity, s._capacity); //交换两个对象的容量
		}
		//拷贝构造函数（现代写法）
		string(const string& s)
			:_str(nullptr)
			, _size(0)
			, _capacity(0)
		{
			cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << endl;

			string tmp(s._str); //调用构造函数，构造出一个C字符串为s._str的对象
			swap(tmp); //交换这两个对象
		}
		//移动构造
		string(string&& s)
			:_str(nullptr)
			, _size(0)
			, _capacity(0)
		{
			cout << "string(string&& s) -- 移动构造" << endl;
			swap(s);
		}
		//拷贝赋值函数（现代写法）
		string& operator=(const string& s)
		{
			cout << "string& operator=(const string& s) -- 深拷贝" << endl;

			string tmp(s); //用s拷贝构造出对象tmp
			swap(tmp); //交换这两个对象
			return *this; //返回左值（支持连续赋值）
		}
		//移动赋值
		string& operator=(string&& s)
		{
			cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动赋值" << endl;
			swap(s);
			return *this;
		}
		//析构函数
		~string()
		{
			//delete[] _str;  //释放_str指向的空间
			_str = nullptr; //及时置空，防止非法访问
			_size = 0;      //大小置0
			_capacity = 0;  //容量置0
		}
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
	};
}
然后再编写一个简单的Person类，Person类中的成员name的类型就是我们模拟实现的string类。

代码：
class Person
{
public:
	//构造函数
	Person(const char* name = "", int age = 0)
		:_name(name)
		, _age(age)
	{}
	//拷贝构造函数
	Person(const Person& p)
		:_name(p._name)
		, _age(p._age)
	{}
	//拷贝赋值函数
	Person& operator=(const Person& p)
	{
		if (this != &p)
		{
			_name = p._name;
			_age = p._age;
		}
		return *this;
	}
	//析构函数
	~Person()
	{}
private:
	xzc::string _name; //姓名
	int _age;         //年龄
};
虽然Person类当中没有实现移动构造和移动赋值，但拷贝构造、拷贝赋值和析构函数Person类都实现了，因此Person类中不会生成默认的移动构造和移动赋值，可以通过下面的代码来验证：
int main()
{
	Person s1("张三", 21);
	Person s2 = std::move(s1); //想要调用Person默认生成的移动构造,实际会调用拷贝构造，因为编译器不会生成默认的移动构造

	return 0;
}
上述代码中用一个右值去构造s2对象，但由于Person类没有生成默认的移动构造函数，因此这里会调用Person的拷贝构造函数（拷贝构造既能接收左值也能接收右值），这时在Person的拷贝构造函数中就会调用string的拷贝构造函数对name成员进行深拷贝。

如果要让Person类生成默认的移动构造函数，就必须将Person类中的拷贝构造、拷贝赋值和析构函数全部注释掉，这时用右值去构造s2对象时就会调用Person默认生成的移动构造函数。

Person默认生成的移动构造，对于内置类型成员age会进行值拷贝，而对于自定义类型成员name，因为我们的string类实现了移动构造函数，因此它会调用string的移动构造函数进行资源的转移。
而如果我们将string类当中的移动构造函数注释掉，那么Person默认生成的移动构造函数，就会调用string类中的拷贝构造函数对name成员进行深拷贝。

要验证Person类中默认生成的移动赋值函数可以用下面的代码，验证方式和上面验证移动构造的方式是一样的。
int main()
{
	Person s1("张三", 21);
	Person s2;
	s2 = std::move(s1); //想要调用Person默认生成的移动赋值

	return 0;
}
说明一下：

我们在模拟实现的string类的拷贝构造、拷贝赋值、移动构造和移动赋值函数中都打印了一条提示语句，因此可以通过控制台输出判断是否调用了对应的函数。由于这里我们无法直接验证在其他默认成员函数都不写的情况下，编译器会自动生成默认的移动构造和移动赋值，所以这里实际上采用反向验证。

1.4、【类成员变量初始化】

默认生成的构造函数，对于自定义类型的成员会调用其构造函数进行初始化，但并不会对内置类型的成员进行处理。于是C++11支持非静态成员变量在声明时进行初始化赋值，默认生成的构造函数会使用这些缺省值对成员进行初始化。比如：
class Person
{
public:
	//...
private:
	//非静态成员变量，可以在成员声明时给缺省值
	xzc::string _name = "张三"; //姓名
	int _age = 20;             //年龄
	static int _n; //静态成员变量不能给缺省值
};
注意： 这里不是初始化，而是给声明的成员变量一个缺省值。

1.5、【几个特殊的关键字】

1、【强制生成默认函数的关键字default】

C++11可以让我们更好的控制要使用的默认成员函数，假设在某些情况下我们需要使用某个默认成员函数，但是因为某些原因导致无法生成这个默认成员函数，这时可以使用default关键字强制生成某个默认成员函数。

例如，下面的Person类中实现了拷贝构造函数：
class Person
{
public:
	//拷贝构造函数
	Person(const Person& p)
		:_name(p._name)
		, _age(p._age)
	{}
private:
	xzc::string _name; //姓名
	int _age;         //年龄
};
这时如下代码就无法编译成功了，因为Person类中编写了拷贝构造函数，导致无法生成默认的构造函数，因为默认构造函数生成的条件是没有编写任意类型的构造函数，包括拷贝构造函数。
int main()
{
	Person s; //没有合适的默认构造函数可用

	return 0;
}
这时我们就可以使用default关键字强制生成默认的构造函数，如下：
class Person
{
public:
	Person() = default; //强制生成默认构造函数

	//拷贝构造函数
	Person(const Person& p)
		:_name(p._name)
		, _age(p._age)
	{}
private:
	xzc::string _name; //姓名
	int _age;         //年龄
};
说明一下： 默认成员函数都可以用default关键字强制生成，包括移动构造和移动赋值。

2、【禁止生成默认函数的关键字delete】

当我们想要限制某些默认函数生成时，可以通过如下两种方式：

在C++98中，可以将该函数设置成私有，并且只用声明不用定义，这样当外部调用该函数时就会报错。
在C++11中，可以在该函数声明后面加上=delete，表示让编译器不生成该函数的默认版本，我们将=delete修饰的函数称为删除函数。

例如，要让一个类不能被拷贝，可以用=delete修饰将该类的拷贝构造和拷贝赋值。
class CopyBan
{
public:
	CopyBan()
	{}
private:
	CopyBan(const CopyBan&) = delete;
	CopyBan& operator=(const CopyBan&) = delete;
};
说明一下： 被=delete修饰的函数可以设置为公有，也可以设置为私有，效果都一样。

3、【继承和多态中final关键字】

final可以用来修饰类，被final修饰的类叫做最终类，最终类无法被继承。比如：
class Person final //被final修饰，该类不能再被继承
{
	//...
};
final也可以用来修饰虚函数，final修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写，如果子类继承后重写了该虚函数则编译报错。比如：
//父类
class Person
{
public:
	virtual void Print() final //被final修饰，该虚函数不能再被重写
	{
		cout << "hello Person" << endl;
	}
};
//子类
class Student : public Person
{
public:
	virtual void Print() //重写，编译报错
	{
		cout << "hello Student" << endl;
	}
};
4、【继承和多态中override关键字】

override一般用来修饰虚函数，override修饰子类的虚函数，检查子类是否重写了父类的某个虚函数，如果没有没有重写则编译报错。比如：
//父类
class Person
{
public:
	virtual void Print()
	{
		cout << "hello Person" << endl;
	}
};
//子类
class Student : public Person
{
public:
	virtual void Print() override //检查子类是否重写了父类的某个虚函数
	{
		cout << "hello Student" << endl;
	}
};

二、【特殊类的设计】

学习了类的新功能后，我们在看看几种特殊类的设计，从而让我们对类的理解更加深刻。

2.1、请设计一个类，只能在堆上创建对象

只能在堆上创建对象，也就是只能通过new操作符创建对象，方式如下：

将构造函数设置为私有，防止外部直接调用构造函数在栈上创建对象。
向外部提供一个获取对象的static接口，该接口在堆上创建一个对象并返回。
将拷贝构造函数设置为私有，并且只声明不实现，防止外部调用拷贝构造函数在栈上创建对象。

代码如下：
class HeapOnly
{
public:
	//2、提供一个获取对象的接口，并且该接口必须设置为静态成员函数
	static HeapOnly* CreateObj()
	{
		return new HeapOnly;
	}
private:
	//1、将构造函数设置为私有
	HeapOnly()
	{}
	//3、将拷贝构造函数设置为私有，并且只声明不实现
	//C++98
	HeapOnly(const HeapOnly&);
	//C++11
	//HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
};
说明一下：

向外部提供的CreateObj函数必须设置为静态成员函数，因为外部调用该接口就是为了获取对象的，而非静态成员函数必须通过对象才能调用，这就变成鸡生蛋蛋生鸡的问题了。
C++98通过将拷贝构造函数声明为私有以达到防拷贝的目的，C++11可以在拷贝构造函数后面加上=delete，表示让编译器将拷贝构造函数删除，此时也能达到防拷贝的目的。

2.2、请设计一个类，只能在栈上创建对象

1、【方法一】

方式如下：

将构造函数设置为私有，防止外部直接调用构造函数在堆上创建对象。
向外部提供一个获取对象的static接口，该接口在栈上创建一个对象并返回。

代码如下：
class StackOnly
{
public:
	//2、提供一个获取对象的接口，并且该接口必须设置为静态成员函数
	static StackOnly CreateObj()
	{
		return StackOnly();
	}
private:
	//1、将构造函数设置为私有
	StackOnly()
	{}
};
但该方法有一个缺陷就是，无法防止外部调用拷贝构造函数创建对象。
StackOnly obj1 = StackOnly::CreateObj();
static StackOnly obj2(obj1); //在静态区拷贝构造对象
StackOnly* ptr = new StackOnly(obj1); //在堆上拷贝构造对象
但是我们不能将构造函数设置为私有，也不能用=delete的方式将拷贝构造函数删除，因为CreateObj函数当中创建的是局部对象，返回局部对象的过程中势必需要调用拷贝构造函数。

2、【方法二】

方式如下：

屏蔽operator new函数和operator delete函数。

代码如下：
class StackOnly
{
public:
	StackOnly()
	{}
private:
	//C++98
	void* operator new(size_t size);
	void operator delete(void* p);
	//C++11
	//void* operator new(size_t size) = delete;
	//void operator delete(void* p) = delete;
};
new和delete的原理：

new在堆上申请空间实际分为两步，第一步是调用operator new函数申请空间，第二步是在申请的空间上执行构造函数，完成对象的初始化工作。
delete在释放堆空间也分为两步，第一步是在该空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作，第二步是调用operator delete函数释放对象的空间。

new和delete默认调用的是全局的operator new函数和operator delete函数，但如果一个类重载了专属的operator new函数和operator delete函数，那么new和delete就会调用这个专属的函数。所以只要把operator new函数和operator delete函数屏蔽掉，那么就无法再使用new在堆上创建对象了。

但该方法也有一个缺陷，就是无法防止外部在静态区创建对象。
static StackOnly obj; //在静态区创建对象
当然，你也可以将方法一和方法二进行结合，结合之后就只是无法防止在静态区拷贝构造对象了。

2.3、请设计一个类，不能被拷贝

要让一个类不能被拷贝，就要让该类不能调用拷贝构造函数和赋值运算符重载函数，因此直接将该类的拷贝构造函数和赋值运算符重载函数设置为私有，或者用C++11的方式将这两个函数删除即可。

代码如下：
class CopyBan
{
public:
	CopyBan()
	{}
private:
	//C++98
	CopyBan(const CopyBan&);
	CopyBan& operator=(const CopyBan&);
	//C++11
	//CopyBan(const CopyBan&) = delete;
	//CopyBan& operator=(const CopyBan&) = delete;
};
2.4、请设计一个类，不能被继承

1、【方法一：C++98】

将该类的构造函数设置为私有即可，因为子类的构造函数被调用时，必须调用父类的构造函数初始化父类的那一部分成员，但父类的私有成员在子类当中是不可见的，所以在创建子类对象时子类无法调用父类的构造函数对父类的成员进行初始化，因此该类被继承后子类无法创建出对象。

代码如下：
class NonInherit
{
public:
	static NonInherit CreateObj()
	{
		return NonInherit();
	}
private:
	//将构造函数设置为私有
	NonInherit()
	{}
};
2、【方法二：C++11】

C++98的这种方式其实不够彻底，因为这个类仍然可以被继承（编译器不会报错），只不过被继承后无法实例化出对象而已。于是C++11中提供了final关键字，被final修饰的类叫做最终类，最终类无法被继承，此时就算继承后没有创建对象也会编译出错。

代码如下：
class NonInherit final
{
	//...
};

三、【单例模式】

3.1、【什么是单例模式？】

如何设计一个类，使其只能创建一个对象，实际上，通过单例模式我们就能实现。

单例模式是一种设计模式（Design Pattern），设计模式就是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。使用设计模式的目的就是为了可重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性程序的重用性。
单例模式指的就是一个类只能创建一个对象，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同一读取，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，分别是饿汉模式和懒汉模式

3.2、【饿汉模式】

饿汉模式在类加载的时候就创建对象，直接将对象实例化完毕，资源申请完毕，在使用的时候可以直接使用，由于实例在类加载时已经创建，因此在使用时无需再进行实例化操作，可以直接获取已存在的实例。

单例模式的饿汉实现方式如下：

将构造函数设置为私有，并将拷贝构造函数和赋值运算符重载函数设置为私有或删除，防止外部创建或拷贝对象。
提供一个指向单例对象的static指针，并在程序入口之前完成单例对象的初始化。
提供一个全局访问点获取单例对象。

代码如下：
class Singleton
{
public:
	//3、提供一个全局访问点获取单例对象
	static Singleton* GetInstance()
	{
		return _inst;
	}
private:
	//1、将构造函数设置为私有，并防拷贝
	Singleton()
	{}
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
	//2、提供一个指向单例对象的static指针
	static Singleton* _inst;
};

//在程序入口之前完成单例对象的初始化
Singleton* Singleton::_inst = new Singleton;
线程安全相关问题：

饿汉模式在程序运行主函数之前就完成了单例对象的创建，由于main函数之前是不存在多线程的，因此饿汉模式下单例对象的创建过程是线程安全的。
后续所有多线程要访问这个单例对象，都需要通过调用GetInstance函数来获取，这个获取过程是不需要加锁的，因为这是一个读操作。
当然，如果线程通过GetInstance获取到单例对象后，要用这个单例对象进行一些线程不安全的操作，那么这时就需要加锁了。

3.3、【懒汉模式】

懒汉模式在第一次使用时才创建对象，而不是在类加载时就创建。它实现了延迟初始化，即只有在真正需要用到实例时才进行实例化，按需创建实例，避免了不必要的资源浪费。但这也带来了线程安全和性能方面的挑战。

单例模式的懒汉实现方式如下：

将构造函数设置为私有，并将拷贝构造函数和赋值运算符重载函数设置为私有或删除，防止外部创建或拷贝对象。
提供一个指向单例对象的static指针，并在程序入口之前先将其初始化为空。
提供一个全局访问点获取单例对象。

代码如下：
class Singleton
{
public:
	//3、提供一个全局访问点获取单例对象
	static Singleton* GetInstance()
	{
		//双检查
		if (_inst == nullptr)//这次检查是为了防止多线程一直获得锁，浪费锁资源
		{
			_mtx.lock();
			if (_inst == nullptr)//这次检查是为了防止多线程创建多个对象，违背单例模式
			{
				_inst = new Singleton;
			}
			_mtx.unlock();
		}
		return _inst;
	}
private:
	//1、将构造函数设置为私有，并防拷贝
	Singleton()
	{}
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
	//2、提供一个指向单例对象的static指针
	static Singleton* _inst;
	static mutex _mtx; //互斥锁
};

//在程序入口之前先将static指针初始化为空
Singleton* Singleton::_inst = nullptr;
mutex Singleton::_mtx; //初始化互斥锁
线程安全相关问题：

懒汉模式在程序运行之前没有进行单例对象的创建，而是等到某个线程需要使用这个单例对象时再进行创建，也就是GetInstance函数第一次被调用时创建单例对象。
因此在调用GetInstance函数获取单例对象时，需要先判断这个static指针是否为空，如果为空则说明这个单例对象还没有创建，此时需要先创建这个单例对象然后再将单例对象返回。
GetInstance函数第一次调用时需要对static指针进行写入操作，这个过程不是线程安全的，因为多个线程可能同时调用GetInstance函数，如果不对这个过程进行保护，此时这多个线程就会各自创建出一个对象。

双检查加锁：

对GetInstance函数中创建单例对象的过程进行保护，本质就是需要引入互斥锁，最简单的加锁方式就是在进行if判断之前加锁，在整个if语句之后进行解锁，这是因为如果在if语句之内加锁，那么多线程就会都直接进入if语句，然后有一个线程申请到锁，其他线程阻塞在锁上，但是这里有一个问题，就是当获得锁的线程创建完对象并释放锁时，其余线程会直接竞争锁，然后有一个线程获得锁那么这个获得锁的线程就会再次创建一个对象，而不是先进行If语句的判断，所以应该在if语句之外加锁。
但实际只有GetInstance函数第一次被调用，线程创建单例对象时需要使用互斥锁进行保护，而后续调用GetInstance函数获取单例对象只是一个读操作也就是直接返回即可，是不需要使用互斥锁进行保护的。
但是如果简单的将加锁解锁操作放到if语句之外，那么在后续调用GetInstance函数获取已经创建好的单例对象时，就会进行大量无意义的加锁解锁操作，导致线程不断切入切出，进而影响程序运行效率，所以我们可以再加一个if用来判断，这样线程在执行时会首先进入第一个if语句，确定对象是否已经被创建了，如果没有创建，那么会有一个线程获得锁然后进入第二个if语句创建对象，之后归还锁，那么另一个线程再执行时，会先进入第一个if判断对象是否存在，如果存在那么就不会在获得锁，而是直接执行返回对象的操作。
对于这种只有第一次需要加锁保护的场景可以使用双检查加锁，双检查就是在当前加锁和解锁的外面再进行一次if判断，判断static指针是否为空，目的是防止重复消耗锁资源。
这样一来，后续调用GetInstance函数获取已经创建好的单例对象时，外层新加的if判断就会起作用，这样就避免了后续无意义的加锁解锁操作。

其他版本的懒汉，懒汉模式还有一种比较经典的实现方式：

将构造函数设置为私有，并将拷贝构造函数和赋值运算符重载函数设置为私有或删除，防止外部创建或拷贝对象。
提供一个全局访问点获取单例对象。

代码如下：
class Singleton
{
public:
	//2、提供一个全局访问点获取单例对象
	static Singleton* GetInstance()
	{
		static Singleton inst;//注意这里看似定义了一个静态对象，好像符合饿汉模式，其实不然
		return &inst;          //需要注意C++11静态变量的初始化,局部的静态对象是在第一次调用初始
	}                           //化
private:
	//1、将构造函数设置为私有，并防拷贝
	Singleton()
	{}
	Singleton(const Singleton&) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};
在单例类的GetInstance函数中定义一个静态的单例对象并返回。

由于实际只有第一次调用GetInstance函数时才会定义这个静态的单例对象，这也就保证了全局只有这一个唯一实例。
并且这里单例对象的定义过程是线程安全的，因为现在的C++标准保证多线程初始化static变量不会发生数据竞争，可以视为原子操作。
该方法属于懒汉模式，因为局部静态变量不是在程序运行主函数之前初始化的，而是在第一次调用GetInstance函数时初始化的，并且在C++11以后局部静态变量只会初始化一次。

这种版本的懒汉主要有如下两个缺点：

单例对象定义在静态区，因此太大的单例对象不适合使用这种方式。
单例对象创建在静态区后没办法主动释放。

3.4、【单例对象的释放】

单例对象创建后一般在整个程序运行期间都可能会使用，所以我们可以不考虑单例对象的释放，程序正常结束时会自动将资源归还给操作系统。

如果要考虑单例对象的释放，可以参考以下两种方式：
在单例类中编写一个DelInstance函数，在该函数中进行单例对象的释放动作，当不再需要该单例对象时就可以主动调用DelInstance释放单例对象。
static void DelInstance()
{
	_mtx.lock();
	if (_inst != nullptr)
	{
		delete _inst;
		_inst = nullptr;
	}
	_mtx.unlock();
}
在单例类中实现一个内嵌的垃圾回收类，在垃圾回收类的析构函数中完成单例对象的释放。在单例类中定义一个静态的垃圾回收类对象，当该对象被消耗时就会调用其析构函数，这时便对单例对象进行了释放。
//垃圾回收类
class CGarbo
{
public:
	~CGarbo()
	{
		if (_inst != nullptr)
		{
			delete _inst;
			_inst = nullptr;
		}
	}
};
注意在典型的单例模式中，释放单例对象通常是一个受控的操作，不存在由多个线程同时尝试，也就是说，我们一般会让主线程进行释放，其余线程在单例模式释放之前就已经被等待回收了，所以这里不用采取双检查。