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C++ 限制类对象数量的技巧与实践

news 2025/8/12 6:21:46

在系统设计中，我们常需限制某些类的对象数量（如单例模式、资源受限场景）。本文结合《More Effective C++》条款26，剖析C++中实现该需求的核心方法与细节。

一、禁止对象创建（n=0）

若类不应产生任何对象，直接将 构造函数和拷贝构造函数声明为private，阻止外部调用：

class NoInstances {
private:NoInstances();               // 私有默认构造NoInstances(const NoInstances&); // 私有拷贝构造
};

二、单例模式（n=1）：唯一实例的经典实现

核心思路

通过 私有构造 + 静态函数返回唯一实例，确保全局仅一个对象。关键依赖 函数内的静态对象（而非类内静态对象）：

class Printer {
public:static Printer& thePrinter() { static Printer p; // 函数内静态对象，首次调用时构造return p; }
private:Printer() = default;                  // 私有构造Printer(const Printer&) = delete;    // 禁止复制
};

细节优化

命名空间隔离：避免全局命名冲突：

namespace Printing {class Printer { /*...*/ }; Printer& thePrinter() { static Printer p; return p; }
}
// 使用：Printing::thePrinter().reset();

函数内静态的优势：
- 类内静态对象在程序启动时构造（即使未使用），而函数内静态对象仅在首次调用时构造，符合“零代价”原则。
- 类内静态对象的初始化顺序跨编译单元无保证（条款E47），函数内静态更安全。
避免内联陷阱：
若thePrinter被声明为inline，内部静态对象可能在多编译单元中复制，导致多实例问题。因此，非成员函数版本切勿inline。

三、对象计数法（灵活控制数量）

通过类内静态变量计数，构造时检查数量，超过则抛异常：

class Printer {
public:struct TooManyObjects {}; // 异常类Printer() {if (numObjects >= 1) throw TooManyObjects(); // 限制为1个++numObjects;}~Printer() { --numObjects; }
private:static size_t numObjects; // 计数Printer(const Printer&) = delete; // 禁止复制
};
size_t Printer::numObjects = 0; // 定义类静态变量

致命缺陷：继承与内嵌干扰

派生类（如ColorPrinter）或包含Printer的类（如CPFMachine）构造时，基类或内嵌的Printer构造会触发计数检查，导致误抛异常。

四、伪构造函数：灵活控制对象生灭

结合私有构造 + 静态伪构造函数，既控数量，又允许对象创建/销毁（同一时间不超量）：

class Printer {
public:struct TooManyObjects {};static Printer* makePrinter() { if (numObjects >= 1) throw TooManyObjects();++numObjects;return new Printer; }~Printer() { --numObjects; }
private:static size_t numObjects;Printer() = default;Printer(const Printer&) = delete;
};
// 配合智能指针自动销毁
unique_ptr<Printer> p(Printer::makePrinter());

优势

仅通过makePrinter创建对象，严格控数；
智能指针（如unique_ptr）自动管理销毁，避免泄漏；
支持“创建→销毁→再创建”的动态场景。

总结

方法	适用场景	核心特点	注意事项
私有构造（n=0）	禁止任何对象	简单直接	-
单例（函数内静态）	程序唯一实例	延迟构造、线程安全（C++11+）	避免内联，命名空间隔离
对象计数法	固定最大数量	灵活但易受继承/内嵌干扰	谨慎处理继承和包含关系
伪构造函数	允许对象生灭的限制	动态控制，智能指针配合	需手动调用伪构造