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如何讓類物件只在棧(堆)上分配空間?

一般情況下,編寫一個類,是可以在棧或者堆分配空間。但有些時候,你想編寫一個只能在棧或者只能在堆上面分配空間的類。這能不能實現呢?仔細想想,其實也是可以滴。

在C++中,類的物件建立分為兩種,一種是靜態建立,如A a;另一種是動態建立,如A* ptr=new A;這兩種方式是有區別的。

1、靜態建立類物件:是由編譯器為物件在棧空間中分配記憶體,是通過直接移動棧頂指標,挪出適當的空間,然後(編譯器)在這片記憶體空間上呼叫建構函式形成一個棧物件。使用這種方法,直接呼叫類的建構函式。當使用完了後,編譯器自動呼叫解構函式對這片棧記憶體進行釋放。

2、動態建立類物件:是使用new運算子將物件建立在堆空間中。這個過程分為兩步,第一步是(編譯器)執行operator new()函式,在堆空間中搜索合適的記憶體並進行分配;第二步是呼叫建構函式構造物件,初始化這片記憶體空間。這種方法,間接呼叫類的建構函式。當物件使用完畢後delete也會呼叫解構函式對堆上的記憶體進行釋放

那麼如何限制類物件只能在堆或者棧上建立呢?下面分別進行討論。

1、只能在堆上分配類物件,就是不能靜態建立類物件,即不能直接呼叫類的建構函式。

容易想到將建構函式設為私有。在建構函式私有之後,無法在類外部呼叫建構函式來構造類物件,只能使用new運算子來建立物件。然而,前面已經說過,new運算子的執行過程分為兩步,C++提供new運算子的過載,其實是隻允許過載operator new()函式,而operatornew()函式只用於分配記憶體,無法提供構造功能。因此,這種方法不可以。

當物件建立在棧上面時,是由編譯器分配記憶體空間的,呼叫建構函式來構造棧物件。當物件使用完後,編譯器會呼叫解構函式來釋放棧物件所佔的空間。編譯器管理了物件的整個生命週期。如果編譯器無法呼叫類的解構函式,情況會是怎樣的呢?比如,類的解構函式是私有的,編譯器無法呼叫解構函式來釋放記憶體。所以,編譯器在為類物件分配棧空間時,會先檢查類的解構函式的訪問性,其實不光是解構函式,只要是非靜態的函式,編譯器都會進行檢查。如果類的解構函式是私有的,則編譯器不會在棧空間上為類物件分配記憶體。因此,將解構函式設為私有,類物件就無法建立在棧上了

。程式碼如下:

class A  
{  
public:  
    A(){}  
    void destory(){delete this;}  
private:  
    ~A(){}  
};  

試著使用A a;來建立物件,編譯報錯,提示解構函式無法訪問。這樣就只能使用new操作符來建立物件,建構函式是公有的,可以直接呼叫。類中必須提供一個destory函式,來進行記憶體空間的釋放。類物件使用完成後,必須呼叫destory函式。
上述方法的缺點:

一、無法解決繼承問題。如果A作為其它類的基類,則解構函式通常要設為virtual,然後在子類重寫,以實現多型。因此解構函式不能設為private。還好C++提供了第三種訪問控制,protected。將解構函式設為protected可以有效解決這個問題,類外無法訪問protected成員,子類則可以訪問。

二、類的使用很不方便,使用new建立物件,卻使用destory函式釋放物件,而不是使用delete。(使用delete會報錯,因為delete物件的指標,會呼叫物件的解構函式,而解構函式類外不可訪問)這種使用方式比較怪異。為了統一,可以將建構函式設為protected,然後提供一個public的static函式來完成構造,這樣不使用new,而是使用一個函式來構造,使用一個函式來析構。程式碼如下,類似於單例模式:

class A  
{  
protected:  
    A(){}  
    ~A(){}  
public:  
    static A* create()  
    {  
        return new A();  
    }  
    void destory()  
    {  
        delete this;  
    }  
};  

這樣,呼叫create()函式在堆上建立類A物件,呼叫destory()函式釋放記憶體。

2、只能在棧上分配類物件

只有使用new運算子,物件才會建立在堆上,因此,只要禁用new運算子就可以實現類物件只能建立在棧上。雖然你不能影響new operator的能力(因為那是C++語言內建的),但是你可以利用一個事實:new operator 總是先呼叫 operator new,而後者我們是可以自行宣告重寫的。因此,將operator new()設為私有即可禁止物件被new在堆上。程式碼如下:

class A  
{  
private:  
    void* operator new(size_t t){}     // 注意函式的第一個引數和返回值都是固定的  
    void operator delete(void* ptr){} // 過載了new就需要過載delete  
public:  
    A(){}  
    ~A(){}  
};  

思考:回顧在棧上建立物件和在堆上建立物件的共同點,我們會發現,無論是A a;還是A* a=new A();都會由編譯器在類外部呼叫類的建構函式來建立物件。同樣在釋放記憶體空間時候也是會由編譯器呼叫類的解構函式來釋放。
不同點在於:
棧物件建立過程中分配記憶體然後呼叫建構函式和物件釋放過程中釋放記憶體然後解構函式的呼叫都是編譯器自動完成的。
而堆物件的建立過程中需要先由編譯器顯式的呼叫operator new()函式進行記憶體分配,堆的釋放過程中需要先由編譯器顯式的呼叫operator delete()函式,然後編譯器自動呼叫解構函式。
為了只能在棧上建立物件,那麼我們就可以將operator new()函式和operator delete()函式進行過載,這兩個函式不做任何事情不分配記憶體,並將他們設定為private,那麼編譯器就無法呼叫這兩個函式。也就不能再堆上建立物件了,此時的建構函式和解構函式還是可以被編譯器自由的呼叫建立棧物件
為了只能在堆上建立物件,那麼我們就必須讓編譯器不能自動呼叫建構函式和解構函式(雖然編譯器能夠自動分配記憶體但是沒有呼叫建構函式,棧物件就沒辦法建立完成)。所以將建構函式和解構函式都設定為protected,這樣編譯器就不能呼叫了,但是建立堆物件也要由編譯器呼叫建構函式和解構函式怎麼辦呢,得益於堆物件的建立過程需要呼叫類中定義的函式,那麼我們可以定義兩個函式create和destroy函式分別在內部呼叫建構函式和解構函式,這樣就可以由編譯器在堆上建立和釋放物件。