C++-特殊类设计-优快云博客

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：

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;
    //...
};

2. 请设计一个类，只能在堆上创建对象

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:
    // 静态创建方法
    static HeapOnly* create() {
        return new HeapOnly();
    }
    
    // 必须提供销毁方法
    void destroy() {
        delete this;
    }

private:
    // 私有构造函数
    HeapOnly() = default;
    
    // 私有析构函数
    ~HeapOnly() = default;
    
    // 防止拷贝
    HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
    HeapOnly& operator=(const HeapOnly&) = delete;
};

使用场景

需要控制对象生命周期的类

对象较大，希望明确在堆上分配

需要延迟初始化的对象

作为工厂模式的一部分

3. 请设计一个类，只能在栈上创建对象

方法一：重载并禁用 `operator new` 和 `operator delete`

class StackOnly {
public:
    StackOnly() = default;
    ~StackOnly() = default;
    
    // 禁用堆上分配
    static void* operator new(std::size_t) = delete;
    static void* operator new[](std::size_t) = delete;
    
    // 禁用堆上释放
    static void operator delete(void*) = delete;
    static void operator delete[](void*) = delete;
    
    // 防止拷贝（可选）
    StackOnly(const StackOnly&) = delete;
    StackOnly& operator=(const StackOnly&) = delete;
};

方法二：私有化 `operator new` 和 `operator delete`（传统C++方法）

class StackOnly {
public:
    StackOnly() = default;
    ~StackOnly() = default;
    
private:
    // 私有化堆分配函数
    static void* operator new(std::size_t);
    static void* operator new[](std::size_t);
    
    // 私有化堆释放函数
    static void operator delete(void*);
    static void operator delete[](void*);
};

使用场景

小型轻量级对象，明确希望保持在栈上

需要确定性的销毁时机（栈对象作用域结束时自动销毁）

避免堆分配开销的场景

作为临时计算或中间结果的容器

4. 请设计一个类，不能被继承

class NonInheritable final {
public:
    NonInheritable() = default;
    ~NonInheritable() = default;
    
    // 其他成员函数...
};

使用场景

工具类，不需要扩展

包含敏感数据的类

设计上不希望被修改的类

作为某些设计模式的最终实现（如策略模式的某个具体策略）

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。

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（线程安全，启动时即创建）

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（线程安全，启动时即创建）
class Singleton
{
public:
    //删除拷贝构造函数和赋值运算符
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator = (const Singleton& ) = delete;

    //获取单例
    static Singleton& getInstance()
    {
        return instance;
    }

    //其他成员函数...
    void other()
    {}

private:
    //私有构造函数
    Singleton() = default;

    //私有析构函数
    ~Singleton() = default;

    //静态实例
    static Singleton instance;
};
// 在类外初始化静态成员
Singleton Singleton::instance;

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。

饿汉式：

线程安全

程序启动时就创建

可能浪费资源

使用场景

配置管理类

日志系统

数据库连接池

线程池

应用程序全局状态管理

懒汉模式（线程不安全，基础版）

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。

// 懒汉模式（线程不安全，基础版）
class Singleton {
public:
    // 删除拷贝构造函数和赋值运算符
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

    // 获取单例实例
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance;  // C++11保证局部静态变量线程安全
        return instance;
    }

    // 其他成员函数...
    void doSomething() { /*...*/ }

private:
    // 私有构造函数
    Singleton() = default;

    // 私有析构函数
    ~Singleton() = default;
};