特殊类设计以及C++中的类型转换

简介: 特殊类设计以及C++中的类型转换
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:

  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

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。

  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

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

  1. 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
  2. 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:

  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

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

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

好了,今天的分享到这里就结束了,感谢大家的支持!


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