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C++:特殊类设计及类型转换

article 2024/12/4 14:57:46

目录

一.常见特殊类的设计方式

1.请设计一个类，不能被拷贝

2.请设计一个类，只能在堆上创建对象

3.请设计一个类，只能在栈上创建对象

4.请设计一个类，不能被继承

5.请设计一个类，只能创建一个对象(单例模式)

二.C语言类型转换

三.C++强制类型转换

1.static_cast

2.reinterpret_cast

3.const_cast

4.dynamic_cast

四.RTTI

一.常见特殊类的设计方式

1.请设计一个类，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;
    //...
};

2.请设计一个类，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;
};

3.请设计一个类，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;
};

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

5.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

        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

        单例模式的两种实现方法:

  • 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， 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

// 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;
}

饿汉和懒汉的区别:

  1. 懒汉模式需要考虑线程安全和释放的问题,实现相对更复杂,而饿汉不存在以上问题,实现简单
  2. 懒汉是一种懒加载模式需要时在初始化建立对象,不会影响程序的启动,饿汉模式则相反,程序启动阶段就创建初始化实例对象,会导致程序启动慢,影响体验
  3. 如果有多个单例类,假设有依赖关系(B依赖A),要求A单例先创建初始化,B单例在创建初始化,那么就不能用饿汉模式,因为无法保证创建初始化顺序,这是用懒汉我们就可以手动控制

二.C语言类型转换

        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

  1. 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
  2. 显式类型转化：需要用户自己处理
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);
}

        缺陷: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

三.C++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

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

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

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

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;
}

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

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

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)

注意:

  1. dynamic_cast只能用于父类含有虚函数的类
  2. 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
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;
}

注意:

        强制类型转换关闭或挂起了正常的类型检查，每次使用强制类型转换前，程序员应该仔细考虑是否还有其他不同的方法达到同一目的，如果非强制类型转换不可，则应限制强制转换值的作用 域，以减少发生错误的机会。强烈建议：避免使用强制类型转换

四.RTTI

        RTTI：Run-time Type identification的简称，即：运行时类型识别

C++通过以下方式来支持RTTI：

  1. typeid运算符
  2. dynamic_cast运算符
  3. decltype

http://www.kler.cn/a/421412.html

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