C++设计的禁忌与救赎:特殊类设计

2023年全国职业院校技能大赛“信息安全管理与评估”-真题——赛题题目+答案解析 阅读详情

业务处理时常常会出现一些特定的要求,需要设计出特殊的功能,下面介绍几个常见的特殊类设计

1.请设计一个类,不能被拷贝

涉及拷贝的只有拷贝构造和赋值重载,把这些禁用了就行了

class CopyBan
{
	// ...

private:
	CopyBan(const CopyBan&);
	CopyBan& operator=(const CopyBan&);
	//...
};

对于 C++98,直接设置为私有即可,这样类外就无法访问了,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

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

对于 C++11,直接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

2.请设计一个类,只能在堆上创建对象

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++11    
	HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
};

创建对象需要构造函数,所以首先把构造函数给禁用了,还注意应该禁止拷贝构造,防止再创建,因为类内能调用构造函数,所以创建一个 public 函数提供接口

在构造函数被私有化的情况下,静态方法是唯一能够访问私有构造函数并创建对象的途径,静态方法属于类本身,而非类的某个实例,因此无需创建对象即可调用,例如: HeapOnly::CreateObject() 可直接通过类名调用

3.请设计一个类,只能在栈上创建对象

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;
};

因为堆上创建销毁需要通过 new 和 delete,之前又学过 new -> operator new + 构造函数,delete -> operator delete + 析构函数,所以直接将这些禁掉就好了

4.请设计一个类,不能被继承

class NonInherit
{
public:
	static NonInherit GetInstance()
	{
		return NonInherit();
	}
private:
	NonInherit()
	{}
};

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 A  final
{
    // ....
};

final 关键字,final 修饰类,表示该类不能被继承

5.请设计一个类,只能创建一个对象(单例模式)

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

以下是单例模式的两种实现模式:

🚩饿汉模式

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++11
	Singleton(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

静态变量属于类而非对象,程序运行期间仅存在一份实例,且在程序入口(main())前初始化,static Singleton m_instance; 是声明,Singleton Singleton::m_instance; 是定义

饿汉模式在程序启动时(或类加载时)立即创建单例实例,若实例的初始化逻辑复杂(如:
读取大文件 / 配置(如数据库连接、配置文件)
网络请求(初始化远程服务连接)
复杂计算(预加载数据字典、缓存构建)
这些操作会阻塞进程的启动流程,导致启动时间明显增加

全局静态对象的初始化顺序问题:

在 C++ 中,多个全局静态对象的初始化顺序是未定义的(由编译器和链接器决定),若某个饿汉单例 A 依赖另一个全局对象 B,而 B 的初始化顺序在 A 之后,会导致 A 初始化时访问未初始化的 B,引发逻辑错误或崩溃

这类问题难以调试,且会间接增加启动阶段的异常处理开销

🚩懒汉模式

class Singleton
{
public:
	// 2、提供获取单例对象的接口函数
	static Singleton& GetInstance()
	{
		if (_psinst == nullptr)
		{
			// 第一次调用GetInstance的时候创建单例对象
			_psinst = new Singleton;
		}

		return *_psinst;
	}

	// 一般单例不用释放。
	// 特殊场景:1、中途需要显示释放  2、程序结束时,需要做一些特殊动作(如持久化)
	static void DelInstance()
	{
		if (_psinst)
		{
			delete _psinst;
			_psinst = nullptr;
		}
	}

	void Add(const pair<string, string>& kv)
	{
		_dict[kv.first] = kv.second;
	}

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

	class GC
	{
	public:
		~GC()
		{
			lazy::Singleton::DelInstance();
		}
	};

private:
	// 1、构造函数私有
	Singleton()
	{
		// ...
	}

	~Singleton()
	{
		cout << "~Singleton()" << endl;

		// map数据写到文件中
		FILE* fin = fopen("map.txt", "w");
		for (auto& e : _dict)
		{
			fputs(e.first.c_str(), fin);
			fputs(":", fin);
			fputs(e.second.c_str(), fin);
			fputs("\n", fin);
		}
	}

	// 3、防拷贝
	Singleton(const Singleton& s) = delete;
	Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete;

	map<string, string> _dict;
	// ...

	static Singleton* _psinst;
	static GC _gc;
};

Singleton* Singleton::_psinst = nullptr;
Singleton::GC Singleton::_gc;

在第一次使用时才初始化单例实例,而非程序启动时。这种方式避免了不必要的资源浪费,但需要处理多线程环境下的线程安全问题


希望读者们多多三连支持

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