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C++ 特殊类设计与单例模式解析

backend 2025/8/26 9:57:36

一、堆/栈专属类设计

1. HeapOnly（只能在堆上创建的对象）

方法一：通过private限制析构函数

代码：

class HeapOnly {
public:void Destroy(){delete this;  // 手动释放堆对象}
private:~HeapOnly() {}  // 析构函数私有化
};int main() 
{HeapOnly hp1;       // (1) 直接栈对象 - 编译错误static HeapOnly hp2; // (2) 静态对象 - 编译错误HeapOnly* hp3 = new HeapOnly; // (3) 堆对象 - 允许delete hp3;         // (4) 直接delete - 编译错误hp3->Destroy();       // (5) 必须通过Destroy释放return 0;
}

下面会展示三个报错，并且解答原因

(1) HeapOnly hp1（栈对象）

栈对象的析构由编译器在作用域结束时自动调用，但 ~HeapOnly() 是私有的，编译器无法访问

(2) static HeapOnly hp2（静态对象）

静态对象的生命周期持续到程序结束，由编译器自动析构，但析构函数私有，编译器无法调用

(3) HeapOnly* hp3 = new HeapOnly（堆对象）

new 只调用构造函数（默认是 public 的），析构函数仅在 delete 时调用，此时由用户通过 Destroy() 间接调用

(4) delete hp3（直接 delete）

delete 会尝试调用析构函数，但析构函数是私有的，外部代码无法访问

(5) hp3->Destroy()（正确释放方式）

Destroy() 是成员函数，可以访问私有析构函数，内部调用 delete this 完成释放

方法二：c++11方法，通过private限制构造，通过delete限制拷贝构造和赋值

代码：

class HeapOnly {
public:static HeapOnly* CreateObj() {  // 唯一创建接口return new HeapOnly;}
private:HeapOnly() {}                   // 构造函数私有化HeapOnly(const HeapOnly&) = delete;            // 禁用拷贝构造HeapOnly& operator=(const HeapOnly&) = delete; // 禁用赋值
};int main()
{// HeapOnly hp1;               // (1) 栈对象 - 编译错误// static HeapOnly hp2;        // (2) 静态对象 - 编译错误// HeapOnly* hp3 = new HeapOnly; // (3) 直接new - 编译错误HeapOnly* hp3 = HeapOnly::CreateObj(); // (4) 唯一合法创建方式// HeapOnly copy(*hp3);        // (5) 拷贝对象 - 编译错误return 0;
}

下面会展示四个报错，并且解答原因

(1) HeapOnly hp1（栈对象）
构造函数是私有的，外部无法直接调用

(2) static HeapOnly hp2（静态对象）

静态对象需要调用构造函数，但构造函数私有，报错与 hp1 相同

(3) HeapOnly* hp3 = new HeapOnly（直接new）

虽然 new 可以绕过析构限制，但构造函数私有

(4) HeapOnly* hp3 = HeapOnly::CreateObj()

静态成员函数可以访问私有构造函数，返回堆分配对象指针）

(5) HeapOnly copy(*hp3)（拷贝对象）

拷贝构造函数被 = delete 显式删除

2. StackOnly（只能在栈上创建的对象）

方法：`operator new` 和构造函数的访问权限来限制对象的创建方式

代码：

class StackOnly {
public:static StackOnly CreateObj() {StackOnly st;  // 合法：成员函数可访问私有构造return st;     // 返回值可能触发拷贝构造（需确保可用）}private:StackOnly() {}     // 私有构造函数void* operator new(size_t) = delete;  // 禁用堆分配
};int main() 
{// StackOnly hp1;       // (1) 直接栈对象 - 编译错误// static StackOnly hp2; // (2) 静态对象 - 编译错误// StackOnly* hp3 = new StackOnly; // (3) 堆对象 - 编译错误StackOnly obj = StackOnly::CreateObj(); // (4) 合法栈对象StackOnly copy(obj);    // (5) 拷贝构造 - 依赖编译器实现// StackOnly* hp4 = new StackOnly(obj); // (6) 堆拷贝 - 编译错误return 0;
}

下面会展示四个报错，并且解答原因

(1) StackOnly hp1（直接栈对象）

构造函数是私有的，外部无法直接调用

(2) static StackOnly hp2（静态对象）

静态对象需要调用私有构造函数

(3) StackOnly* hp3 = new StackOnly（堆对象）

operator new 被显式删除

(4) StackOnly obj = StackOnly::CreateObj()

静态方法 CreateObj() 可访问私有构造返回栈对象（可能触发拷贝/移动构造）

(5) StackOnly copy(obj)（拷贝构造）

原代码未显式定义拷贝构造，如果编译器自动生成拷贝构造，则能编译通过，但违背了"栈专属"的设计初衷

(6) new StackOnly(obj)（堆拷贝）

即使拷贝构造可用，operator new 仍被禁用，报错与 (3) 相同

3.Copyban(不能copy的对象)

代码：

方法一：c++11玩法，通过delete来禁止拷贝构造和赋值

class copyban
{
public:copyban():a(0){}copyban(const copyban& t)=delete;copyban& operator =(const copyban&)=delete;int a = 0;};
int main()
{copyban s1;copyban s2;copyban s1(0);copyban s2(s1);return 0
}

结果：

方法二：通过private:来实现限制拷贝构造和赋值

代码：

class copyban
{
public:copyban():a(0){}
private:copyban(const copyban& t);copyban& operator =(const copyban&);int a = 0;
};
int main()
{copyban s1;copyban s2;copyban s1(0);copyban s2(s1);return 0
}

结果：

class NonInherit {
public:static NonInherit GetInstance() {return NonInherit();  // 通过静态方法返回临时对象}
private:NonInherit() {}  // 私有构造函数
};

4.NonInherit（不能被继承的类）

方法一：private限制构造,导致派生类到不到基类的构造

代码：

class NonInherit {
public:static NonInherit GetInstance() {return NonInherit();  // 通过静态方法返回临时对象}
private:NonInherit() {}  // 私有构造函数
};

上文的漏洞代码：

class Child : public NonInherit {  // 可以继承
public:Child() : NonInherit() {}      // 错误：无法访问基类私有构造
};// 但通过中间层可以破解：
class DeceptiveChild : public NonInherit {
public:static DeceptiveChild Create() { return DeceptiveChild();   // 调用默认构造（隐式调用基类构造）}
private:DeceptiveChild() = default;    // 隐式调用基类构造
};

方法二：C++11 `final` 关键字

代码：

class A final
{//...
};

方法三：私有构造函数 + 虚继承（传统方法）

代码：

class NonInheritableBase {
private:NonInheritableBase() = default;friend class NonInherit;  // 仅允许友元类继承
};class NonInherit : virtual NonInheritableBase {  // 虚继承是关键
public:static NonInherit GetInstance() {return NonInherit();}
private:NonInherit() = default;
};// 任何尝试继承的行为：
class Child : public NonInherit {
public:Child() {}  // 错误：无法调用NonInheritableBase的私有构造
};

二、单例模式实现

简单理解就是
饿汉模式：类加载时就立即创建类实例化对象（“饿”，迫不及待）
懒汉模式：延迟初始化，只有在第一次使用时才创建类实例化对象（“懒”，用的时候再弄）

1. 饿汉模式（Hungry Initialization）

代码：

namespace hungry {class Singleton {public:static Singleton& GetInstance() {return _sinst; // 直接返回预先创建好的实例}// ...其他成员函数...private:Singleton() {} // 私有构造函数Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;map<string, string> _dict;static Singleton _sinst; // 静态成员变量};Singleton Singleton::_sinst; // 程序启动时即初始化
}

特点：

立即初始化
- 单例对象在main()函数执行前（全局静态变量初始化阶段）就已经创建
- 通过静态成员变量 _sinst 实现
不可拷贝
- 禁用拷贝构造和赋值操作

2. 懒汉模式（Lazy Initialization）

代码：

namespace lazy {class Singleton {public:static Singleton& GetInstance() {if (_psinst == nullptr) { // 第一次调用时创建_psinst = new Singleton;}return *_psinst;}static void DelInstance() { // 手动释放delete _psinst;_psinst = nullptr;}private:Singleton() = default;~Singleton() { /* 持久化操作 */ }Singleton(const Singleton&) = delete;Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;static Singleton* _psinst; // 指针形式static GC _gc; // 辅助垃圾回收};Singleton* Singleton::_psinst = nullptr; // 初始为空Singleton::GC Singleton::_gc; // 静态成员
}

特点