特殊类设计以及C++中的类型转换

ahao

发布于 2024-03-19 19:27:46

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发布于 2024-03-19 19:27:46

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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：

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
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：

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。
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

但是怎么在堆上创建对象？用一个成员函数来在堆上创建对象（因为类内能访问私有成员中的构造函数，类外不可以），那为什么要用static修饰GetObj？这样就可以用类名::函数名来访问了，而不用创建一个对象才能访问这个ｓｔａｔｉｃ函数（因为你调用ｓｔａｔｉｃ函数之前创建的对象一定是在栈上的）

class HeapOnly
{
public:
	static HeapOnly* CreateObject()//静态成员函数
	{
		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&)；
	// C++11    
	HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;
};

3. 请设计一个类，只能在栈上创建对象

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();//匿名对象，生命周期有限
	}

	// 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;
};

4. 请设计一个类，不能被继承

C++98： 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： final关键字，final修饰类，表示该类不能被继承。

class A  final
{
    // ....
};

5. 请设计一个类，只能创建一个对象(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，也就是在main函数之前就创建唯一的一个实例对象

class Singleton
{
public:
	static Singleton* GetInstance()//通过这个函数获取唯一对象的指针的函数
	{
		return &m_instance;
	}
private:
	// 构造函数私有
	Singleton() {};
	// C++98 防拷贝
	Singleton(Singleton const&);
	Singleton& operator=(Singleton const&);
	// C++11防拷贝
	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。

并且饿汉模式很简单，但是饿汉模式有很大的缺点： 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

就比如说：如果单例1和单例2同时创建，那么饿汉模式就无法控制顺序了，并且如果当单例对象过大时，main函数前就要申请资源，占用了资源，程序的启动就会变慢

所以说就有懒汉来解决了这个问题：

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。

相比较于饿汉模式，懒汉模式是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。 但是懒汉模式也确实复杂。

我们首先先构造框架：

class Singleton
{
public:
	static Singleton* getinstance()
	{
		if(m_pinstance==nullptr)
		{
			m_pinstance = new Singleton();//如果没有实例化对象就实例化
		}
		return m_pinstance;
	}

private:
	//将构造函数私有
	Singleton()
	{}
	//防拷贝
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);

	static Singleton* m_pinstance;//单例对象指针
};

但是大家想一想，现在的懒汉模式下会有什么问题呢？

如果有多个线程，那么在判断是否已经有实例对象时不就会发生阻塞的问题吗，所以我们需要上锁：

class Singleton
{
public:
	static Singleton* getinstance()
	{
		if(m_pinstance==nullptr)//上双锁，提高效率，避免每次单例都进入解锁
		{
			mtx.lock();
			if (m_pinstance == nullptr)
			{
				m_pinstance = new Singleton();//如果没有实例化对象就实例化
			}
			mtx.unlock();
		}
		return m_pinstance;
	}

private:
	//将构造函数私有
	Singleton()
	{}
	//防拷贝
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);

	static Singleton* m_pinstance;//单例对象指针
	static mutex mtx;//互斥锁
};

Singleton* Singleton::m_pinstance = nullptr;
mutex Singleton::mtx;

除此之外我们还需要进行析构，我们就定义一个静态成员变量，程序结束就调用这个析构函数，释放单例对象即可：完整代码如下：

class Singleton
{
public:
	static Singleton* getinstance()
	{
		if(m_pinstance==nullptr)//上双锁，提高效率，避免每次单例都进入解锁
		{
			mtx.lock();
			if (m_pinstance == nullptr)
			{
				m_pinstance = new Singleton();//如果没有实例化对象就实例化
			}
			mtx.unlock();
		}
		return m_pinstance;
	}

	class gabo
	{
	public:
		~gabo()
		{
			if (Singleton::m_pinstance)
				delete Singleton::m_pinstance;
		}
	};
	static gabo ga;//定义一个静态成员变量，用于程序结束自动调用析构释放单例对象

private:
	//将构造函数私有
	Singleton()
	{}
	//防拷贝
	Singleton(const Singleton&);
	Singleton& operator=(const Singleton&);

	static Singleton* m_pinstance;//单例对象指针（静态成员声明）
	static mutex mtx;//互斥锁（声明）
	
};

Singleton* Singleton::m_pinstance = nullptr;／／（静态成员定义）
mutex Singleton::mtx;
Singleton::gabo ga;

6. C语言中的类型转换

在C语言中，如果赋值运算符左右两侧类型不同，或者形参与实参类型不匹配，或者返回值类型与接收返回值类型不一致时，就需要发生类型转化，C语言中总共有两种形式的类型转换：隐式类型转换和显式类型转换。

隐式类型转化：编译器在编译阶段自动进行，能转就转，不能转就编译失败
显式类型转化：需要用户自己处理

请看代码：

void Test()
{
	int i = 1;
	// 隐式类型转换
	double d = i;
	printf("%d, %.2f\n", i, d);
	int* p = &i;
	// 显示的强制类型转换
	int address = (int)p;
	printf("%x, %d\n", p, address);
}

但是C语言的类型转换有很大的缺点： 转换的可视性比较差，所有的转换形式都是以一种相同形式书写，难以跟踪错误的转换

隐式类型转化有些情况下可能会出问题：比如数据精度丢失
显式类型转换将所有情况混合在一起，代码不够清晰

7. C++的强制类型转换

标准C++为了加强类型转换的可视性，引入了四种命名的强制类型转换操作符： static_cast、reinterpret_cast、const_cast、dynamic_cast

7.1 static_cast

static_cast用于非多态类型的转换（静态转换），编译器隐式执行的任何类型转换都可用static_cast，但它不能用于两个不相关的类型进行转换

static_cast就是对应C语言的隐式类型转换只适用于相近类型的转换例如：

int main()
{
  double d = 12.34;
  int a = static_cast<int>(d);
  cout<<a<<endl;
  return 0;
}

7.2 reinterpret_cast

reinterpret_cast操作符通常为操作数的位模式提供较低层次的重新解释，用于将一种类型转换为另一种不同的类型

也就是说，reinterpret_cast和上面相反，适用于不相关类型之间的转换

例如：

int main()
{
 double d = 12.34;
 int a = static_cast<int>(d);
 cout << a << endl;
 // 这里使用static_cast会报错，应该使用reinterpret_cast
 //int *p = static_cast<int*>(a);
 int *p = reinterpret_cast<int*>(a);
 return 0;
}

7.3 const_cast

const_cast最常用的用途就是删除变量的const属性，方便赋值 例如：

int main()
{
	const int a = 2;
	int* p = const_cast<int*>(&a);
	*p = 3;
	cout << *p << endl;
	cout << a << endl;
}

看到结果大家可能会有疑惑，为什么我将*p以及赋值3了a还是2呢，其实这是因为编译器的优化，a在寄存器上存有信息，编译器自动调取了存取器上a的信息，所以才输出2，那么如何解决这个问题呢？加上一个关键字volatile volatile的作用就是不允许编译器优化，只能从内存中提取a

int main()
{
	volatile const int a = 2;
	int* p = const_cast<int*>(&a);
	*p = 3;
	cout << *p << endl;
	cout << a << endl;
}

7.4 dynamic_cast

dynamic_cast用于将一个父类对象的指针/引用转换为子类对象的指针或引用(动态转换) 向上转型：子类对象指针/引用->父类指针/引用(不需要转换，赋值兼容规则) 向下转型：父类对象指针/引用->子类指针/引用(用dynamic_cast转型是安全的)

但是要注意：

dynamic_cast只能用于父类含有虚函数的类
dynamic_cast会先检查是否能转换成功，能成功则转换，不能则返回0

例如：

class A
{
public:
	virtual void f() {}
};
class B : public A
{};
void fun(A* pa)
{
	// dynamic_cast会先检查是否能转换成功，能成功则转换，不能则返回
	B* pb1 = static_cast<B*>(pa);
	B* pb2 = dynamic_cast<B*>(pa);
	cout << "pb1:" << pb1 << endl;
	cout << "pb2:" << pb2 << endl;
}
int main()
{
	A a;
	B b;
	fun(&a);
	fun(&b);
	return 0;
}

其实当如果使用强制类型转换的话也可以，但是得是特殊的情况： 当指向子类对象时强制类型转换是安全的 我们可以用代码验证：

class A
{
public:
	virtual void f() {}
};
class B : public A
{};
void fun(A* pa,const string s)
{
	// dynamic_cast会先检查是否能转换成功，能成功则转换，不能则返回
	B* pb1 = (B*)(pa);
	B* pb2 = dynamic_cast<B*>(pa);
	cout << s << endl;
	cout << "强制类型转化:" << pb1 << endl;
	cout << "dynamic_cast:" << pb2 << endl;
}
int main()
{
	A a;
	B b;
	fun(&a,"指向父类对象：");
	fun(&b,"指向子类对象：");
	return 0;
}

可以看到指向子类对象时强制类型转换是安全的