通过限制对象的内存分配位置来实现特定的设计目标

《More Effective C++》中的条款27聚焦于如何通过语言特性强制或禁止对象在堆上分配，其核心目标是通过控制内存分配位置来提升代码的安全性、可维护性和资源管理效率。
个人觉得，这个条款看看就可以了，可能在个别情况下需要考虑条款中说的情况。
以下是该条款的详细解析：

一、核心设计思想

条款27的核心是通过限制对象的内存分配位置来实现特定的设计目标。例如：

• 强制堆分配：确保对象生命周期由开发者显式管理（如多态对象需通过指针操作）。
• 禁止堆分配：避免内存泄漏（如嵌入式系统中堆空间珍贵），或确保资源自动释放（如RAII类）。

二、强制对象在堆上分配

1. 析构函数私有化

• 原理：栈上对象的析构由编译器自动调用，若析构函数为私有，编译器无法生成析构代码，导致栈分配失败。
• 实现步骤：

  class UPNumber {
  private:~UPNumber() {} // 析构函数私有
  public:static UPNumber* create() { return new UPNumber(); } // 工厂函数void destroy() { delete this; } // 显式释放内存
  };
  

• 问题与解决方案：
  • 继承问题：若类需被继承，析构函数应设为protected，并通过工厂函数创建对象。
  • 拷贝构造函数：若未声明拷贝构造函数，编译器会生成公有的默认版本，可能导致栈上拷贝。需显式删除拷贝构造函数：

    UPNumber(const UPNumber&) = delete;
    UPNumber& operator=(const UPNumber&) = delete;
    

2. 构造函数私有化（配合工厂函数）

• 原理：禁止直接调用构造函数，强制通过工厂函数创建对象。
• 实现示例：

  class Singleton {
  private:Singleton() {}static Singleton* instance;
  public:static Singleton* getInstance() {if (!instance) instance = new Singleton();return instance;}
  };
  

• 注意点：需处理编译器生成的默认构造函数（如拷贝构造函数），避免意外创建栈对象。

3. 处理数组分配

• 问题：new UPNumber[10]会调用operator new[]，若未重载该运算符，可能绕过限制。
• 解决方案：同时重载operator new和operator new[]，并设为私有。

三、禁止对象在堆上分配

1. 删除operator new

• 原理：new操作符调用operator new分配内存，若该函数被删除，堆分配会编译失败。
• 实现示例：

  class StackOnly {
  public:void* operator new(size_t) = delete; // 禁止newvoid* operator new[](size_t) = delete; // 禁止new[]
  };
  

• 应用场景：RAII类（如文件句柄、锁）需确保资源自动释放，禁止堆分配可避免手动管理内存。

2. 构造函数结合内存检测（非移植方案）

• 原理：利用栈和堆在内存中的位置差异（栈向下生长，堆向上生长）判断分配位置。
• 实现代码（仅作演示，依赖平台特性）：

  class HeapProhibited {
  public:HeapProhibited() {void* stackAddr = &stackAddr;void* thisAddr = this;if (stackAddr < thisAddr) { // 假设栈地址高于堆地址throw std::runtime_error("Object created on heap!");}}
  };
  

• 局限性：不同平台内存布局不同，可能导致误判。

四、常见陷阱与解决方案

1. 继承与动态绑定

• 问题：若基类析构函数为私有，派生类无法正确销毁。
• 解决方案：
  • 基类析构函数设为protected virtual，允许派生类重写。
  • 通过工厂函数返回基类指针，确保正确调用析构函数。

2. 智能指针的影响

• 问题：std::make_unique等函数在堆上创建对象，若类禁止堆分配，需显式禁用。
• 解决方案：

  class NoHeap {
  public:friend std::unique_ptr<NoHeap> std::make_unique<NoHeap>(); // 允许make_uniquevoid* operator new(size_t) = delete;
  };
  

  或通过私有构造函数强制使用工厂函数。

3. 异常处理

• 问题：析构函数私有可能导致异常栈展开失败。
• 解决方案：确保析构函数在异常处理路径中可访问（如设为protected并通过基类管理）。

五、作者建议与最佳实践

1. 优先使用析构函数私有化：相比构造函数私有化，析构函数仅需处理一个函数，更简洁。
2. 结合工厂函数：通过静态工厂方法封装对象创建逻辑，提升代码可读性和可维护性。
3. 明确文档说明：在类注释中清晰标注内存分配限制，避免误用。
4. 测试边界情况：如数组分配、继承层次、异常场景等，确保限制生效。

六、实际应用场景

1. 强制堆分配：
   • 多态类（如Shape基类及其派生类）需通过指针操作，避免切片问题。
   • 资源管理类（如std::thread）需延迟释放资源。
2. 禁止堆分配：
   • RAII类（如文件锁、数据库连接）需确保资源自动释放。
   • 嵌入式系统中内存受限，需避免动态分配。

七、总结

条款27通过控制内存分配位置，将对象生命周期管理纳入类型系统，减少了人为错误的可能性。其核心方法包括：

• 强制堆分配：析构函数私有化 + 工厂函数。
• 禁止堆分配：删除operator new。
• 处理继承与异常：合理使用protected成员和虚析构函数。

开发者应根据具体需求选择合适的方法，并注意实现中的陷阱（如数组分配、智能指针兼容性）。通过结合条款27的技术，可显著提升代码的健壮性和可维护性。