news 2026/3/23 19:17:55

37.C++进阶:特殊类设计|不能拷贝|不能继承|只在堆上创建对象|只在栈上创建对象|只能创建一个对象

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张小明

前端开发工程师

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37.C++进阶:特殊类设计|不能拷贝|不能继承|只在堆上创建对象|只在栈上创建对象|只能创建一个对象

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; //... };

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: 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; };

设计一个类,只能在栈上创建对象

  • 方法一:同上将构造函数私有化,然后设计静态方法创建对象返回即可
class StackOnly { public: static StackOnly CreateObj() { 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; };

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 { // .... };

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。
// 饿汉模式 // 优点:简单 // 缺点:可能会导致进程启动慢,且如果有多个单例类对象实例启动顺序不确定。 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

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。
// 懒汉 // 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。 // 缺点:复杂 #include <iostream> #include <mutex> #include <thread> using namespace std; class Singleton { public: static Singleton* GetInstance() { // 注意这里一定要使用Double-Check的方式加锁,才能保证效率和线程安全 if (nullptr == m_pInstance) { m_mtx.lock(); if (nullptr == m_pInstance) { m_pInstance = new Singleton(); } m_mtx.unlock(); } return m_pInstance; } // 实现一个内嵌垃圾回收类 class CGarbo { public: ~CGarbo(){ if (Singleton::m_pInstance) delete Singleton::m_pInstance; } }; // 定义一个静态成员变量,程序结束时,系统会自动调用它的析构函数从而释放单例对象 static CGarbo Garbo; private: // 构造函数私有 Singleton(){}; // 防拷贝 Singleton(Singleton const&); Singleton& operator=(Singleton const&); static Singleton* m_pInstance; // 单例对象指针 static mutex m_mtx; //互斥锁 }; Singleton* Singleton::m_pInstance = nullptr; Singleton::CGarbo Garbo; mutex Singleton::m_mtx; int main() { thread t1([]{cout << &Singleton::GetInstance() << endl; }); thread t2([]{cout << &Singleton::GetInstance() << endl; }); t1.join(); t2.join(); cout << &Singleton::GetInstance() << endl; cout << &Singleton::GetInstance() << endl; return 0; }
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