几种特殊性质的类--《Effective C++》《More Effective C++》笔记

0 C++的灵活性

C++语言实在是太灵活了，所以《Effective C++》提议把它看做四门语言的集合。其复杂的语法可以让程序员实现任意意图，同时由于过于复杂而导致正确表达的难度很大。本文总结实用的一些表达方式。

1 对象的创建、初始化、删除方式

C++对象创建方式有两种：在stack或data区上自动创建；
在Heap上手动创建。
当直接声明一个对象时，就采用第一种自动创建的方式，编译器为其自动开辟内存；当使用new来创建对象时就对应于第二种，即在heap上创建对象。
C++对象创建（开辟内存）之后并不能直接使用，而是在使用之前必须初始化，而这是编译器自动为你添加了初始化调用代码。C++支持三种不同的对象初始化方式。通过构造函数Constructor初始化；
通过拷贝构造函数Copy Constructor初始化；
通过赋值运算符Assignment operator初始化。
这三种是各自独立的初始化方式。任何C++对象都必须调用至少其中一个来完成对象的初始化。
使用完毕后，C++对象需要清理并释放内存，对应于两种创建方式，C++对象有两种删除方式。在stack或data的对象由编译器负责自动删除；
在Heap上的对象必须显式调用delete删除。
特别对于stack来说，一旦C++对象离开作用域（对象名所在的{}），C++编译器自动在此加入删除代码。

2 区分 new operator和operator new

其实很好理解。当在程序中使用new来产生对象时，这个new就是new operator，是C++的关键字，不能重载或修改。new operator的内部大概流程如下：

（1）确定类对象的大小，调用类的一个特殊成员函数来分配所需内存。这个成员函数就是 operator new(size_t size)；如果类没有提供，C++编译器默认提供一个全局的::operator new(size_t size)。最简单的实现就是直接调用malloc(size)了。如果分配失败，调用失败处理函数。
（2）初始化对象的成员变量；（3）调用类的构造函数；（4）返回对象地址指针。
可见程序中简单的一个new关键的后面，C++编译器为我们背地里生成了很多汇编代码。至于delete operator和operator delete的关系与new非常类似，不再累述。

3 几个特殊性质的类

了解了前面的知识，下面来看看如何实现几个特殊性质的类。

3.1 无法被继承的类

这在概念上与C#的密封类相似。实现原理为：derived class的构造函数必须调用父类的一个构造函数，子类的析构函数必须调用父类的析构函数，这样只要把构造函数或析构函数设置为private，则derived class的构造函数就无法调用它，而C++编译器又必须生成调用的代码，从而造成矛盾，导致编译失败。代码如下：

// 不能被继承的类(构造函数为private)
class CannotBeInherited
{
    private:
        CannotBeInherited();
};
class D: public CannotBeInherited
{
    public:
        D(){};
};

需要注意的是，如果类D中不手动添加构造函数，编译会成功。这是因为C++编译器采用Lazy 编译模式，知道调用的时刻才去编译生成D的构造函数。无论如何，一旦遇到需要产生D对象的代码，就会导致编译失败。

3.2 只能通过new创建对象的类

这对于C#就是必然的，C#的对象只能通过new来产生。所有对象都在heap上产生能简化很多事情，想想C++对象作为参数和返回值，赋值等种种复杂的处理吧，都是由于heap在stack上使用对象的恶果！那么如何使得一个类的对象只能通过new来创建呢？原理是：C++对于在stack上创建的对象时，必然要从类的外部自动调用其某个构造函数和析构函数。此时只有把其中之一设置为private或者protected，就能阻止外部对其调用，从而导致C++编译失败。

// 不能在Stack上创建对象的类(析构函数为protected或private)
class CannotBeInstantiatedInStack
{
    public:
        Delete()
        {
            delete this;
        }
    protected:
        ~CannotBeInstantiatedInStack();
};

注意，此时需要提供一个public的Delete函数来负责删除对象，否则new出来的对象永远也无法删除了。

3.3 不能通过new创建对象的类

《Effective C++》中提到的一个非常重要的知识点就是：使用对象管理资源，利用stack上对象离开作用域时总是能（无论是否有异常或提前return)自动调用其析构函数的保障来在其析构函数里完成资源清理。这样的对象当然必须在stack上建立。实现原理：new操作符必须在类的外部调用operator new，所以只有让operator new为protected或private就能够阻止C++编译器生成调用它的代码，从而导致编译失败。

// 不能在Heap上创建对象的类(operator new 为 private)
class CannotBeInstantiatedInHeap
{
    private:
        static void* operator new(size_t size);
        static void* operator new[](size_t size);
        static void operator delete(void* ptr);
        static void operator delete[](void* ptr);
};

4 一点思考

C++可以算是最复杂的编程语言了，同时也是最灵活的。可是人的精力是有限的，所以很少有程序员敢说自己精通C++语言。语法太过灵活，从而导致开发模式过多，同行之间交流也有一定困难。随着RTTI和Exception的标准化，C++在迈向成熟现代语言的同时，丢掉了C语言的高效率和简单性，所以在系统编程领域原来越不受欢迎；而在Web等领域，更简单专用的Java,PHP,C#早已经把C++打败；C++目前还生存在图形处理等为数不多的几个领域。

无论如何，C++完成了交给它的历史使命，现存的大量代码也保障了这门语言将长久活在世上。另外，但从学习知识来讲，学习C++这门语言特别是编译器的处理以及其内存模型，对于学习任何其他语言都有强烈的支撑作用。