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【C++】特殊类设计

news 来源：原创 2025/7/4 18:55:35

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一、请设计一个类，不能被拷贝
二、请设计一个类，只能在堆上创建对象
三、请设计一个类，只能在栈上创建对象
四、请设计一个类，不能被继承
五、请设计一个类，只能创建一个对象(单例模式)
- 5.1 饿汉模式
- 5.2 懒汉模式
结尾

一、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

私有 + 只声明不定义
- 私有：若只声明不定义并且在没有私有的情况下，用户可以在外面进行定义
- 只声明不定义：不声明，操作系统会生成默认的拷贝构造和拷贝复制函数，定义了就不能防止拷贝了。
C++11

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 BanCopy
{
public:// 默认构造函数BanCopy(){}// C++11 默认成员函数后跟上 = delete// 拷贝构造BanCopy(const BanCopy& bc) = delete;// 拷贝赋值BanCopy& operator=(const BanCopy& bc) = delete;private:// C++ 98 私有 + 只声明不定义// 若只声明不定义并且在没有私有的情况下，用户可以在外面进行定义/*BanCopy(const BanCopy& bc);BanCopy operator=(const BanCopy& bc);*/
};int main()
{BanCopy bc1;BanCopy bc2;BanCopy bc3(bc1);bc2 = bc1;return 0;
}

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二、请设计一个类，只能在堆上创建对象

实现方式1：

构造函数只声明不定义并私有化，拷贝构造函数只声明不定义并私有化，防止通过拷贝构造在栈上创建对象。
定义一个静态函数，用来提供在堆上创建对象。

class OnlyHeap
{
public:static OnlyHeap* CreateObject(){return new OnlyHeap;}private:// 默认构造OnlyHeap(){}// 拷贝构造OnlyHeap(const OnlyHeap& oh){}
};int main()
{OnlyHeap oh1;OnlyHeap* oh2 = OnlyHeap::CreateObject();OnlyHeap oh3(*oh2);return 0;
}

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实现方式2：

析构函数只声明不定义并私有化，析构函数是私有的，那么在对象离开其作用域时，编译器试图调用析构函数时会遇到问题，因为它不能从外部访问私有成员。

class OnlyHeap
{
public:// 默认构造OnlyHeap(){}static OnlyHeap* CreateObject(){return new OnlyHeap;}private:// 拷贝构造OnlyHeap(const OnlyHeap& oh){}~OnlyHeap(){}
};int main()
{// OnlyHeap oh1;OnlyHeap* oh2 = OnlyHeap::CreateObject();OnlyHeap oh3(*oh2);return 0;
}

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三、请设计一个类，只能在栈上创建对象

class OnlyStack
{
public:static OnlyStack CreateStack(){OnlyStack os;return os;}// 这里不能将拷贝构造删除// 因为CreateStack函数是传值返回，需要拷贝构造// OnlyStack(const OnlyStack& os) = delete;
private:OnlyStack(){}// new分为构造和operator new 两个部分// 我们已经对构造函数动手了，拷贝构造又不能动// 那么接下来只有对operator new动手了// 实现专属的operator new// 那么new这个对象的时候就不会调用全局的，而是调用这里的/*void* operator new(size_t size){cout << "void* operator new(size_t)" << endl;return malloc(size);}*/// 我们将operator new删除了，那么就new不了对象了void* operator new(size_t) = delete;
};int main()
{OnlyStack os1 = OnlyStack::CreateStack();// OnlyStack* os2 = new OnlyStack;OnlyStack* os3;os3 = new OnlyStack(os1);return 0;
}

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四、请设计一个类，不能被继承

C++98
由于派生类的构造需要调用基类的构造函数，而这里将构造函数私有后，派生类则不能调用基类的构造函数，那么该类不能被继承。

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

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C++11
final修饰类，表示该类不能被继承。

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五、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。

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：

5.1 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

饿汉模式的优缺点

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。

// 饿汉模式程序启动时就创建一个唯一的实例对象
// 那么什么变量能够在进入main函数之前就定义呢
// 那么就是全局变量了
// 但是下面单例模式中的构造函数私有化了
// 导致外面的无法构造对象了
// 全局变量不行，那么就可以使用静态变量了
// 在单例模式中添加一个该类的静态类对象
// 在类中声明，在类外定义class SingLeton
{static SingLeton* GetInstance(){return &_sl;}private:// 私有化构造函数SingLeton(){}// 防拷贝// 删除拷贝构造SingLeton(const SingLeton& sl) = delete;// 删除拷贝赋值SingLeton& operator=(const SingLeton& sl) = delete;private:static SingLeton _sl;
};SingLeton SingLeton::_sl;

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。

那么这里单例模式中的饿汉模式就完成了，需要某个资源只创建一个对象，那么就在单例模式中添加这个资源的成员变量即可。

5.2 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。

懒汉模式的优缺点

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

假设下面懒汉模式下存储的对象是map

// 懒汉模式第一次使用实例对象时，创建对象
// 所以我们在类里面定义一个该类的静态指针类型
// 再在类外面对该指针初始化为nullptr
// 当第一个使用一个类时，再创建对象
class SingLeton
{
public:static SingLeton* GetInstance(){if (_psl == nullptr){_psl = new SingLeton;}return _psl;}void Insert(const string& key, const string& value){_dict[key] = value;}void Print(){for (auto dict : _dict){cout << dict.first << ':' << dict.second << endl;}cout << endl;}private:// 私有化构造函数SingLeton(){}private:static SingLeton* _psl;map<string, string> _dict;};SingLeton* SingLeton::_psl = nullptr;

那么为什么需要删除拷贝构造和拷贝赋值呢？

int main()
{SingLeton::GetInstance()->Insert("want","想");SingLeton::GetInstance()->Insert("miss", "错过");SingLeton::GetInstance()->Insert("left", "左边");SingLeton p(*(SingLeton::GetInstance()));p.Insert("miss", "想念");SingLeton::GetInstance()->Print();p.Print();return 0;
}

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因为不删除拷贝构造和拷贝赋值会导致单例不具有唯一性。

删除拷贝构造和拷贝赋值后的懒汉模式。

// 懒汉模式第一次使用实例对象时，创建对象
class SingLeton
{
public:static SingLeton* GetInstance(){if (_psl == nullptr){_psl = new SingLeton;}return _psl;}void Insert(const string& key, const string& value){_dict.insert(make_pair(key, value));}void Print(){for (auto dict : _dict){cout << dict.first << ':' << dict.second << endl;}}private:// 私有化构造函数SingLeton(){}// 防拷贝// 删除拷贝构造SingLeton(const SingLeton& sl) = delete;// 删除拷贝赋值SingLeton& operator=(const SingLeton& sl) = delete;private:static SingLeton* _psl;map<string, string> _dict;
};

依照上面的代码还可以看出一个问题，那就是_psl是new出来的，需要delete吗？如何delete呢？

一般来说单例模式是伴随着一整个程序的，程序结束后会自动释放，不排除单例模式用到一半后不需要它了的情况，也有可能是程序结束后需要对数据进行持久化，所以可能需要delete，那么如何delete呢？

首先可以想到这个delete SingLeton::GetInstance()，但是这个写法太挫了，别人可能看漏或是不理解，在后面继续使用但是模式，那么下面这段代码教大家如何delete这段数据。

首先在SingLeton中定义一个函数static void DelInstance()用来释放空间，再定义一个内部类InstanceCleaner，而这个类是空类，在SingLeton中声明一个静态的InstanceCleaner类对象，在类外面定义，由于是空类，并不用担心会影响程序启动的速度，在InstanceCleaner的析构函数中调用DelInstance，那么在程序结束后会释放InstanceCleaner对象，调用析构函数，再调用DelInstance释放数据。值得注意的是SingLeton对象中的数据可以在程序结束后，依靠InstanceCleaner来释放数据，也可以自己手动调用DelInstance提前释放数据。

class SingLeton
{
public:static SingLeton* GetInstance(){if (_psl == nullptr){_psl = new SingLeton;}return _psl;}static void DelInstance(){if (_psl){delete _psl;_psl = nullptr;cout << "static void DelInstance()" << endl;}}void Insert(const string& key, const string& value){_dict.insert(make_pair(key, value));}void Print(){for (auto dict : _dict){cout << dict.first << ':' << dict.second << endl;}}class InstanceCleaner{public:InstanceCleaner(){}~InstanceCleaner(){DelInstance();}};private:// 私有化构造函数SingLeton(){}~SingLeton(){}// 防拷贝// 删除拷贝构造SingLeton(const SingLeton& sl) = delete;// 删除拷贝赋值SingLeton& operator=(const SingLeton& sl) = delete;
private:static SingLeton* _psl;map<string, string> _dict;static InstanceCleaner _InstanceCleaner;
};SingLeton* SingLeton::_psl = nullptr;
SingLeton::InstanceCleaner _InstanceCleaner;

int main()
{SingLeton::GetInstance()->Insert("want","想");SingLeton::GetInstance()->Insert("miss", "错过");SingLeton::GetInstance()->Insert("left", "左边");cout << "Hello C++" << endl;SingLeton::GetInstance()->DelInstance();return 0;
}

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实际上上面的懒汉模式还存在线程安全问题，在创建和删除单例的时候，多个线程可能会同时进入，这里我们保证只有第一个调用的线程才可以创建或是删除的单例。

// 懒汉模式第一次使用实例对象时，创建对象
#include <mutex>
class SingLeton
{
public:static SingLeton* GetInstance(){// 防止浪费锁资源if (_psl == nullptr){// 防止多个线程同时进入unique_lock<mutex> lock(mtx);if (_psl == nullptr){_psl = new SingLeton;}}return _psl;}static void DelInstance(){if (_psl){unique_lock<mutex> lock(mtx);if (_psl){delete _psl;_psl = nullptr;cout << "static void DelInstance()" << endl;}}}void Insert(const string& key, const string& value){_dict.insert(make_pair(key, value));}void Print(){for (auto dict : _dict){cout << dict.first << ':' << dict.second << endl;}}class InstanceCleaner{public:InstanceCleaner(){}~InstanceCleaner(){DelInstance();}};private:// 私有化构造函数SingLeton(){}~SingLeton(){}// 防拷贝// 删除拷贝构造SingLeton(const SingLeton& sl) = delete;// 删除拷贝赋值SingLeton& operator=(const SingLeton& sl) = delete;
private:static SingLeton* _psl;static mutex mtx;map<string, string> _dict;static InstanceCleaner _InstanceCleaner;
};SingLeton* SingLeton::_psl = nullptr;
SingLeton::InstanceCleaner _InstanceCleaner;

这里我们设计一个最简单的单例模式，下面的并且下面的代码是懒汉模式，只有第一次调用函数时，才会创建单例。sl是一个静态对象，只有在第一次调用的时候才会初始化，下面的代码在C++11之前是存在线程安全问题的，这也是C++11之前的缺陷，而C++11之后就不存在线程安全问题了，保证了sl只初始化一次。

class SingLeton
{
public:static SingLeton& GetInstance(){static SingLeton sl;return sl;}private:// 私有化构造函数SingLeton(){}~SingLeton(){}// 防拷贝// 删除拷贝构造SingLeton(const SingLeton& sl) = delete;// 删除拷贝赋值SingLeton& operator=(const SingLeton& sl) = delete;
};

结尾

如果有什么建议和疑问，或是有什么错误，大家可以在评论区中提出。
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一、请设计一个类，不能被拷贝

二、请设计一个类，只能在堆上创建对象

三、请设计一个类，只能在栈上创建对象

四、请设计一个类，不能被继承

五、请设计一个类，只能创建一个对象(单例模式)

5.1 饿汉模式

5.2 懒汉模式

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