【C++】特殊类设计

一、设计一个类，不能被拷贝

拷贝只会发生在两个场景中：拷贝构造函数和赋值运算符重载。

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。

1、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
{
public:
	CopyBan()
	{}
private:
	CopyBan(const CopyBan& cb); // 拷贝构造函数声明
	CopyBan& operator=(const CopyBan& cb); // 赋值运算符重载声明
};

1. 设置成私有：如果只声明而没有设置成 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，定义了其实也没什么意义，不写反而更简单，而且如果定义了就不能防止成员函数内部拷贝了。

如上图代码，在对这个特殊类进行拷贝和赋值的时候，因为这两个成员函数私有而无法调用。

拷贝构造以及赋值运算符重载等成员函数，在调用时都是编译器在域外调用，所以必须是公有的。

2、C++11

C++11 扩展了 delete 的用法，delete 除了释放 new 申请的资源以外，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，此时编译器也不会自动生成默认的拷贝构造和赋值运算符重载函数。

class CopyBan
{
public:
	CopyBan()
	{}
private:
	CopyBan(const CopyBan& cb) = delete; // 拷贝构造函数声明
	CopyBan& operator=(const CopyBan& cb) = delete; // 赋值运算符重载声明
};

二、设计一个类，只能在堆上创建对象

正常创建类对象时，会在栈上创建，并且自动调用构造函数来初始化。下面设计一个类，只能在堆上创建对象。

1、实现方式

只能在创建在堆上时，就需要让该对象只能通过 new 来创建，并且调用构造函数来初始化。

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:
	//构造函数
	HeapOnly() {}
	HeapOnly(const HeapOnly& hp) = delete; // 禁止拷贝
};

class StackOnly
{
public:
	// 构造函数
	StackOnly()
	{}

	void* operator new(size_t size) = delete; // 禁止调用new
	void operator delete(void* p) = delete; // 禁止调用delete
};

class StackOnly
{
public:
	static StackOnly CreateObject()
	{
		return StackOnly();
	}
private:
	StackOnly()
	{}
};

static StackOnly so = StackOnly::CreateObject();

// 基类
class NonInherit
{
private:
	// 基类构造函数私有
	NonInherit()
	{}
};

// 派生类
class B : public NonInherit
{};

class A final
{};

// 饿汉模式
class Singleton
{
public:
    // 获取单例对象接口
    static Singleton* GetInstance()
    {
        return &m_instance;
    }
private:
    // 构造函数私有
    Singleton()
    {};
    
    // C++98 防拷贝
    Singleton(Singleton const& s); 
    Singleton& operator=(Singleton const& s); 
      
    // or
      
    // C++11
    Singleton(const Singleton& s) = delete; // 禁止使用拷贝构造
	Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete; // 禁止使用赋值运算符重载
  
    // 保证单例对象在静态区且只有一个
	static Singleton m_instance; // 单例对象
};
// 在程序入口之前就完成单例对象的初始化
Singleton* Singleton::m_instance = new Singleton; 

int main()
{
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	return 0;
}

int main()
{
	Singleton* s = Singleton::GetInstance(); // 获取单例对象
	return 0;
}

（2）懒汉模式

// 懒汉模式
#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) 
        {
            // 如果单例对象没有创建则在堆区创建
            if (nullptr == m_pInstance)
            {
                m_pInstance = new Singleton();
            }
            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
    Singleton(){};

    // 防拷贝
    Singleton(const Singleton& s) = delete; // 禁止拷贝
	Singleton& operator=(const Singleton& s) = delete; // 禁止赋值

    //静态单例对象指针
	static Singleton* m_pInstance;//单例对象指针

	static mutex m_mtx; //互斥锁
};

Singleton* Singleton::m_pInstance = nullptr; // 初始化为空
Singleton::CGarbo Garbo;
mutex Singleton::m_mtx;

void func(int n)
{
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
}
 
// 多线程环境下才能演示上面GetInstance()加锁和不加锁的区别
int main()
{
	thread t1(func, 10);
	thread t2(func, 10);
	t1.join();
	t2.join();
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
	cout << Singleton::GetInstance() << endl;
    return 0;
}

这里出现了一个有关线程安全的问题。当多线程时，进行判断为 nullptr，这时还没有调用 new，当前的线程就被切走了。下一个线程来了还是 nullptr 就又进去 new 了一个对象，然后恢复第一个线程的上下文后又 new 了一个对象，第二个 new 的就将第一个的给覆盖了，所以就出现了错误。

这里我们就可以使用互斥锁：

因为加锁需要加在一个锁上才有用，所以我们也要将锁设为静态的，然后在类外进行初始化，这样就保证了只实例化出一个对象来，但实际上这样还是有问题的。

当我们 new 出一个对象之后，我们在进行调用 GetInstance 的时候，还会不停的加锁解锁。加锁解锁是有性能消耗的，所以不断的加锁解锁是很不好的，所以这里我们要使用双检测加锁：

这样减少了加锁，提高了效率，但还是会有一点问题，单例对象什么时候释放呢？

其实单例对象是不需要释放的。因为在一般情况下，单例在进程启动之后随时会被使用，而且这个对象也不大，所以就可以不去释放它。那么会有内存泄漏吗？

如果进程是正常结束的，因为 new 出来得到的进程地址空间是虚拟内存，当结束之后就会将地址通过页表取消映射，那么 new 出来的资源就会还给 OS。当然如果想要释放也是没有问题的：

实现一个 DelInstance 手动调用的去释放。

当然有可能考虑到程序结束时，需要处理一下持久化保存一些数据，比方说要将数据写到硬盘上。那么可以写一个析构函数，在析构函数中去处理。如果担心会忘记手动调用  DelInstance ，那么可以通过设计一个类，在类中实现一个析构函数。

上面就是在创建的时候创建一个 _gc。当 main 结束时，_gc 生命周期结束，然后调用它的析构函数，直接将单例对象进行析构。

• 同样将构造函数私有，拷贝构造和赋值运算符重载函数禁止调用，用来保证单例模式的唯一性。
• 增加静态单例对象指针成员变量。

在类外实例化静态指针变量的时候，并没有创建单例对象，而是将其初始化为空。

int main()
{
	Singleton* ps = Singleton::GetInstance();//获取单例对象
	return 0;
}

在获取单例对象时，如果是第一次使用，那么就会在堆区上 new 一个单例对象，并且将所在地址赋值给静态的成员指针变量。

为什么称之为懒汉模式呢？

懒汉模式又叫做延时加载模式。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、初始化网络连接、读取文件等等，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。

【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（通过代码顺序）自由控制。

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【缺点】

• 复杂。
• 如果不加锁是会出现线程安全的问题。但是加锁是会十分影响性能的，所以引入了双检查。那么既要保证线程安全+又要保证效率的问题。