【C++】特殊类设计+类型转换+IO流

编程入门行业动态更新时间:2024-10-27 21:19:22

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【C++】特殊类设计+类型转换+IO流

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一、设计一个类，不能拷贝

1、c++98

class CopyBan
{
private:CopyBan(const CopyBan& cb);CopyBan& operator=(const CopyBan& cb);
};
int main()
{return 0;
}

1、将拷贝构造和赋值运算符重载设置为私有；

2、仅仅私有还不够，这并不能防止类内部就行拷贝。还要对拷贝构造和赋值运算符重载只声明却不实现。

2、C++11

class CopyBan
{CopyBan(const CopyBan& cb) = delete;CopyBan& operator=(const CopyBan& cb) = delete;
};

C++11直接使用delete禁用拷贝构造和赋值运算符重载。

二、请设计一个类只能在堆上创建对象

1、将构造设置为私有

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
外部通过CreateObj函数构造一个对象后，外部可以利用这个对象的指针拷贝构造一个栈区的对象，需要禁用拷贝构造。

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;
};

2、将析构设置为私有

将析构函数设置为私有，栈区对象由于无法析构所以无法创建。堆区对象需要手动调用自己写的清理函数释放。

三、设计一个类只能在栈区设置对象

1、将构造函数私有；

2、提供一个静态的CreateObj方法用于构造栈区对象；

3、但是无法防止外部构造静态对象。

4、如果想彻底禁止生成静态的对象，需要再禁用拷贝构造。不过这样这个类只能生成临时对象或者引用的对象了，不能修改。

四、请设计一个类，不能被继承

1、C++98方式

// 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(){}
};

2、C++11方式

final关键字，final修饰类，表示该类不能被继承。

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

五、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。

1、饿汉模式设计单例对象

class SingLeton
{
public:static SingLeton* getInstance(){return &m_instance;}
private://将构造函数私有SingLeton();//C++98方式防拷贝赋值SingLeton(const SingLeton& sl);SingLeton operator=(const SingLeton& sl);//C++11方式防拷贝赋值SingLeton(const SingLeton& sl) = delete;SingLeton operator=(const SingLeton& sl) = delete;static SingLeton m_instance;// 在程序入口之前就完成单例对象的初始化
};SingLeton SingLeton::m_instance;

饿汉模式：在main函数被加载之前就创建好对象。（全局和静态将在main函数之前被加载）

1、私有构造函数，禁用拷贝构造和赋值运算符重载；

2、在类中声明、外部定义一个静态的对象，用于调用类中私有的构造函数，同时作为单例对象被使用；

3、在类中提供一个获取静态对象的函数GetInstance，为了外部可调用，所以将该函数设置为静态。

饿汉模式的特点：

1、单例对象初始化时，数据太多会导致启动慢；

2、如果多个单例类有初始化的依赖关系，饿汉模式无法控制。例如A和B都是单例类，因为B的启动依赖A，所以需要先初始化A，再初始化B，但是饿汉模式无法控制对象的初始化顺序。

3、饿汉模式创建的对象绝对不会有线程安全问题，因为该模式的对象在main函数之前已经被创建好了，main函数之前线程都没启动呢

2、懒汉模式设计单例对象

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。

2.1、懒汉模式的设计以及线程安全问题

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <vector>
#include <string>
#include <ctime>using namespace std;
class SingLeton
{
public:static SingLeton* getInstance(){//双检查加锁if (m_instance == nullptr){_mtx.lock();if (m_instance == nullptr){m_instance = new SingLeton();}_mtx.unlock();}return m_instance;}// 一般全局都要使用单例对象，所以单例对象一般不需要显示释放// 有些特殊场景，想显示释放一下static void DelInstance(){_mtx.lock();if (m_instance){delete m_instance;m_instance = nullptr;}_mtx.unlock();}void Add(const string& str){_mtx.lock();_v.push_back(str);_mtx.unlock();}void Print(){_mtx.lock();for (auto& e : _v){cout << e << endl;}cout << endl;_mtx.unlock();}// 单例对象回收class GC{public:~GC(){DelInstance();}};static GC _gc;
private://将构造函数私有SingLeton(){}//C++11方式防拷贝赋值SingLeton(const SingLeton& sl);SingLeton operator=(const SingLeton& sl);
private:static SingLeton* m_instance;// 在程序入口之前就完成单例对象的初始化static mutex _mtx;//静态锁，全局都能看到vector<string>_v;
};
//静态变量初始化
SingLeton* SingLeton::m_instance = nullptr;
mutex SingLeton::_mtx;
SingLeton::GC SingLeton::_gc;int main()
{srand(time(0));size_t n = 30;thread t1([n]() {for (size_t i = 0; i < n; ++i){SingLeton::getInstance()->Add("t1线程:" + to_string(rand()));}});thread t2([n]() {for (size_t i = 0; i < n; ++i){SingLeton::getInstance()->Add("t2线程:" + to_string(rand()));}});t1.join();t2.join();SingLeton::getInstance()->Print();return 0;
}

懒汉模式的特点：

1、对象在main函数之后才会创建；

2、可以主动控制对象的创建时机。

3、创建对象时存在线程安全问题，如果多个线程同时获取单例对象，会可能new多个对象，最后一个创建的对象指针会覆盖之前创建的对象指针，导致内存泄露。

2.2、懒汉模式需要加锁解决的线程安全问题

3、单例对象的释放问题

1、一般单例对象不需要考虑释放，资源会在进程结束时自动释放；

2、释放的写法如下：可以手动清理，将一些资源保存：可手动调用DelInstance进行资源的回收，main函数结束时，操作系统也会自动回收单例对象的资源。

4、比较简洁的懒汉模式

class SingLeton
{
public:static SingLeton* getInstance(){m_instance = new SingLeton();return m_instance;}
private://将构造函数私有SingLeton(){}//C++11方式防拷贝赋值SingLeton(const SingLeton& sl);SingLeton operator=(const SingLeton& sl);
private:static SingLeton* m_instance;// 在程序入口之前就完成单例对象的初始化vector<string>_v;
};
//静态变量初始化
SingLeton* SingLeton::m_instance = nullptr;

1、私有构造函数，禁用拷贝构造和赋值运算符重载；

2、通过getInstance返回静态对象（静态局部变量是在main函数之后才创建初始化）

这种方式构建的单例懒汉模式在C++11发布之前会有线程安全问题，多线程环境下可能会造成静态对象被初始化多次；而C++11规定静态局部变量是线程安全的，可以放心使用。

六、类型转换

1、C语言中的类型转换

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

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

2、C++中的类型转换

C++尤其认为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。

2.1、static_cast

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

static_cast适用于相似类型的转换。（可以隐式类型转换的都能用static_cast）

2.2、reinterpret_cast

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;
}

reinterpret_cast适用于不相关类型之间的转换。（不能隐式类型转换，只能强制类型转换的用reinterpret_cast）

2.3、const_cast

int main()
{const int a = 2;int* p = const_cast<int*>(&a);*p = 3;cout << a << endl;cout << *p << endl;return 0;
}

const_cast用于删除变量的const属性。需要关注内存可见性问题

编译器对const变量会有优化，认为const变量不会被改变，编译器在优化代码时可能会将变量放到寄存器或者其他高速缓存中。可以在a初始化时加上volatile关键字，加了volatile关键字后，对变量的读取和写入操作会从内存中进行，而不是从缓存中进行。

2.4、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

3、RTTI

RTTI：Run-time Type identifification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

七、IO流

1、C语言的输入输出

对输入输出缓冲区的理解：

1.可以屏蔽掉低级I/O的实现，低级I/O的实现依赖操作系统本身内核的实现，所以如果能够屏蔽这部分的差异，可以很容易写出可移植的程序。

2.可以使用这部分的内容实现“行”读取的行为，对于计算机而言是没有“行”这个概念，有了这部分，就可以定义“行”的概念，然后解析缓冲区的内容，返回一个“行”。

2、C++IO流

C++系统实现了一个庞大的类库，其中ios为基类，其他类都是直接或间接派生自ios类

IO流的特点

1.面向对象

2.更好支持自定义类对象的IO

3、流提取

流提取是一个阻塞操作，以空格或者换行作为一段读取的结束：

cin>>str是std::string的operator>>所支持的，它的返回值是istream。

为什么返回值istream可以作为while循环的逻辑判断呢？这是因为ios这个父类重载了operator bool，让其支持了逻辑判断。

从C++11开始，可以使用explicit关键字来显式声明operator bool()函数，完成istream到bool类型的转变，以避免隐式类型转换带来的问题。（这意味着其内部显式地将istream对象转换为bool类型的值，而不能进行隐式类型转换。可以避免编译器自作主张进行隐式类型转换，例如编译器将一个对象错误地转换为bool类型的值，而导致程序出现错误。）

那么问题来了，为什么void*和bool可以被重载？其实不是他俩能被重载，而是自定义类型可以通过类内重载指定类型完成隐式类型转换。（本质上是隐式类型转换，悄悄的改变类型，上面说了，你重载了类型之后，永远猜不到它会在哪个不该转换的地方发生转换）

4、C++文件IO流

C++根据文件内容的数据格式分为二进制文件和文本文件。采用文件流对象操作文件的一般步骤：

1. 定义一个文件流对象

ifstream(只输入用)

ofstream(只输出用)

fstream(又输出用)

2. 使用文件流对象的成员函数打开一个磁盘文件，使得文件流对象和磁盘文件之间建立联系

3. 使用提取和插入运算符对文件进行读写操作，或使用成员函数进行读写

4. 关闭文件

4.1、二进制读写

struct ServerInfo
{char _address[32];//不要使用stringint _port;
};struct ConfigManager
{ConfigManager(const char* filename):_filename(filename){}void WriteBin(const ServerInfo& info){ofstream ofs(_filename, ofstream::out | ofstream::binary);ofs.write((char*)&info, sizeof(info));}void ReadBin(ServerInfo& info){ifstream ifs(_filename, ifstream::in | ifstream::binary);ifs.read((char*)&info, sizeof(info));}private:string _filename;
};
int main()
{ServerInfo winfo = { "192.0.0.1xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx", 80 };string str;cin >> str;if (str == "二进制写"){ConfigManager cm("test.txt");cm.WriteBin(winfo);}else if (str == "二进制读"){ServerInfo rinfo;ConfigManager cm("test.txt");cm.ReadBin(rinfo);cout << rinfo._address << endl;cout << rinfo._port << endl;}return 0;
}

二进制读写，不要对string对象进行读写操作。

4.2、文本读写（简单写法）

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
using namespace std;class Date
{friend ostream& operator << (ostream& out, const Date& d);friend istream& operator >> (istream& in, Date& d);
public:Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1):_year(year), _month(month), _day(day){}operator bool(){// 这里是随意写的，假设输入_year为0，则结束if (_year == 0)return false;elsereturn true;}
private:int _year;int _month;int _day;
};istream& operator >> (istream& in, Date& d)
{in >> d._year >> d._month >> d._day;return in;
}
ostream& operator << (ostream& out, const Date& d)
{out << d._year << " " << d._month << " " << d._day;return out;
}
struct ServerInfo
{char _address[32];//不要使用stringint _port;Date _date;
};
struct ConfigManager
{ConfigManager(const char* filename):_filename(filename){}// 文本读写 C++文本读写更简单// 文本读写本质，内存中任何类型都是转成字符串在写// c语言文本读写很不方便，因为要不断转字符串// c++封装了以后就有很大的优势void WriteText(const ServerInfo& info){ofstream ofs(_filename, ofstream::out);ofs << info._address << " ";ofs << info._port << " ";ofs << info._date << endl;}void ReadText(ServerInfo& info){ifstream ifs(_filename, ifstream::in);ifs >> info._address;ifs >> info._port;ifs >> info._date;}
private:string _filename;
};
int main()
{ServerInfo winfo = { "192.0.0.1xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx", 80,{2023,11,5} };string str;cin >> str;if (str == "文本写"){ConfigManager cm("test.txt");cm.WriteText(winfo);}else if (str == "文本读"){ServerInfo rinfo;ConfigManager cm("test.txt");cm.ReadText(rinfo);cout << rinfo._address << endl;cout << rinfo._port << endl;cout << rinfo._date << endl;}return 0;
}

1、使用ofstream进行写入的时候，每一个变量写完必须给空格或换行，标定每个变量的读取结束，否则读取时会读取出错。

2、自定义类型也可以使用流插入和流提取的写法是因为ofstream和ifstream是ostream的子类，

子类对象可以调用继承于父类的流插入和流提取。（前提是自定义类型重载了流插入和流提取）

5、使用stringstream序列化和反序列化

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
#include <sstream>
using namespace std;class Date
{friend ostream& operator << (ostream& out, const Date& d);friend istream& operator >> (istream& in, Date& d);
public:Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1):_year(year), _month(month), _day(day){}operator bool(){// 这里是随意写的，假设输入_year为0，则结束if (_year == 0)return false;elsereturn true;}
private:int _year;int _month;int _day;
};istream& operator >> (istream& in, Date& d)
{in >> d._year >> d._month >> d._day;return in;
}
ostream& operator << (ostream& out, const Date& d)
{out << d._year << " " << d._month << " " << d._day;return out;
}
// 序列化和反序列化
struct ChatInfo
{string _name; // 名字int _id;      // idDate _date;   // 时间string _msg;  // 聊天信息
};int main()
{ChatInfo winfo = { "张三", 135246, { 2022, 4, 10 }, "晚上一起看电影吧" };stringstream oss;oss << winfo._name << " ";oss << winfo._id << " ";oss << winfo._date << " ";oss << winfo._msg;string str = oss.str();cout << str << endl;stringstream iss(str);ChatInfo rinfo;iss >> rinfo._name;iss >> rinfo._id;iss >> rinfo._date;iss >> rinfo._msg;cout << "-------------------------------------------------------" << endl;cout << "姓名：" << rinfo._name << "(" << rinfo._id << ") ";cout << rinfo._date << endl;cout << rinfo._name << ":>" << rinfo._msg << endl;cout << "-------------------------------------------------------" << endl;return 0;
}