C++ | 深入理解C++中的特殊类设计和单例模式(懒汉模式、饿汉模式)

目录

特殊类设计和单例模式

1、不可拷贝类

2、只能在堆上创建对象的类

3、只能在栈上创建对象的类

4、不可继承的类

5、单例模式(懒汉模式、饿汉模式)

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特殊类设计和单例模式

在C++编程中，类的设计往往需要满足特定的需求和约束。特殊类设计模式提供了一种方法来实现这些需求，确保类的使用既安全又高效。本文将探讨几种常见的特殊类设计方式，包括不可拷贝类、只能在堆上创建对象的类、只能在栈上创建对象的类、不可继承的类以及单例模式。

1、不可拷贝类

在某些情况下，我们可能希望一个类的对象不能被拷贝。这可以通过以下两种方式实现：

C++98方式

在C++98中，我们可以通过只声明拷贝构造函数和赋值运算符，并将它们设置为私有成员来实现。这样，即使外部代码尝试拷贝对象，编译器也会因为访问权限问题而报错。

// 不可拷贝类
// 将拷贝构造和赋值运算符重载delete即可
class uncopy
{
private:int _a;uncopy(const uncopy& uc);uncopy& operator=(const uncopy& uc);
public:uncopy(int a = 0):_a(a){}};

C++11方式

C++11引入了delete关键字，可以直接在类声明中删除默认的拷贝构造函数和赋值运算符，使得编译器在尝试使用这些函数时直接报错。

// 不可拷贝类
// 将拷贝构造和赋值运算符重载delete即可
class uncopy
{
private:int _a;
public:uncopy(int a = 0):_a(a){}uncopy(const uncopy& uc) = delete;uncopy& operator=(const uncopy& uc) = delete;};

2、只能在堆上创建对象的类

有时，我们希望类的实例只能在堆上创建，这可以通过以下步骤实现：

1. 将构造函数声明为私有
2. 提供一个公共的静态成员函数，用于在堆上分配和初始化对象。

或者：

1. 将析构函数声明为私有
2. 提供公共的静态成员函数，用来调用析构函数销毁对象

// 只能在堆上创建对象的类
// 隐藏构造函数 开放静态获取接口 将拷贝构造函数delete
class Heap_only1
{
private:int _a;Heap_only1(int a = 0):_a(a){}Heap_only1(const Heap_only1& ho) = delete;
public:static Heap_only1* create_obj(int a){return new Heap_only1(a);}
};// 利用局部对象自动调用析构函数 隐藏析构函数 开放销毁接口 将拷贝构造函数delete
class Heap_only2
{
private:int _a;Heap_only2(const Heap_only2& ho) = delete;~Heap_only2(){}
public:Heap_only2(int a = 0):_a(a){}static bool delete_Heap_only(Heap_only2* p){if (p){delete p;p = nullptr;return true;}return false;}
};

3、只能在栈上创建对象的类

与只能在堆上创建对象的类相反，有时我们希望类的实例只能在栈上创建。这可以通过禁用operator new和operator delete来实现。

// 只能在栈上创建对象的类
// 将operator new和operator delete封住 提供传值返回接口获取栈上对象
// 但是 由于传值返回保留了拷贝构造函数 所以static拷贝构造无法完全封死
class stack_only
{
private:int _a;void* operator new(size_t size) = delete;void operator delete(void* p) = delete;stack_only(){}
public:static stack_only create_stack_only(){return stack_only();}
};

4、不可继承的类

在某些情况下，我们可能希望阻止其他类继承特定的类。这可以通过以下两种方式实现：

C++98方式

在C++98中，我们可以通过将构造函数声明为私有来实现，这样派生类就无法访问基类的构造函数。

class NonInherit {
private:NonInherit() {}
};

C++11方式

C++11引入了final关键字，可以直接在类声明中使用final来阻止继承。

class NonInherit final {// ...
};

5、单例模式(懒汉模式、饿汉模式)

单例模式是一种常用的设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。单例模式有两种实现方式：饿汉模式和懒汉模式。

饿汉模式

饿汉模式在程序启动时就创建实例，简单但可能导致启动延迟。

//单例模式
//饿汉模式
#include<iostream>
using namespace std;
class once1
{
private:once1(){}static once1* a;once1(const once1&) = delete;once1& operator=(const once1&) = delete;public:static once1* getObj(){return a;}
};
once1* once1::a = new once1;int main()
{once1* p1 = once1::getObj();cout << p1 << endl;return 0;
}

懒汉模式

懒汉模式在第一次使用时才创建实例，启动无负载。

[Warning] 以下为不考虑线程安全的版本

//懒汉模式
class once2
{
private:static once2* ret;once2(){}once2(const once2&) = delete;once2& operator=(const once2&) = delete;
public:static once2* getObj(){if (ret == nullptr){ret = new once2;}return ret;}
};
once2* once2::ret = nullptr;int main()
{once2* p2 = once2::getObj();cout << p2 << endl;return 0;
}

如果要求在程序退出时销毁单例对象，可以在once类中定义内部类，在内部类的析构函数中完成资源释放，程序结束时自动调用内部类的析构函数。

以懒汉模式为例：

//懒汉模式
class once2
{
private:static once2* ret;once2(){}once2(const once2&) = delete;once2& operator=(const once2&) = delete;class del{public:~del(){once2::delObj();}};static del D;
public:static once2* getObj(){if (ret == nullptr){ret = new once2;}return ret;}static void delObj(){if (ret){delete ret;ret = nullptr;cout << "delete[]" << endl;}}
};
once2* once2::ret = nullptr;
once2::del once2::D;int main()
{//once1* p1 = once1::getObj();//cout << p1 << endl;once2* p2 = once2::getObj();cout << p2 << endl;return 0;
}