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[问答题]
如何定义一个只能在堆上(栈上)生成对象的类?

     在C++中,类的对象建立分为两种,一种是静态建立,如A a;另一种是动态建立,如A* ptr=new A;这两种方式是有区别的。

        静态建立一个类对象,是由编译器为对象在栈空间中分配内存,是通过直接移动栈顶指针,挪出适当的空间,然后在这片内存空间上调用构造函数形成一个栈对象。使用这种方法,直接调用类的构造函数。

        动态建立类对象,是使用new运算符将对象建立在堆空间中。这个过程分为两步,第一步是执行operator new()函数,在堆空间中搜索合适的内存并进行分配;第二步是调用构造函数构造对象,初始化这片内存空间。这种方法,间接调用类的构造函数。

        那么如何限制类对象只能在堆或者栈上建立呢?下面分别进行讨论。


1、只能建立在堆上

        类对象只能建立在堆上,就是不能静态建立类对象,即不能直接调用类的构造函数。

        容易想到将构造函数设为私有。在构造函数私有之后,无法在类外部调用构造函数来构造类对象,只能使用new运算符来建立对象。然而,前面已经说过,new运算符的执行过程分为两步,C++提供new运算符的重载,其实是只允许重载operator new()函数,而operator()函数用于分配内存,无法提供构造功能。因此,这种方法不可以。

        当对象建立在栈上面时,是由编译器分配内存空间的,调用构造函数来构造栈对象。当对象使用完后,编译器会调用析构函数来释放栈对象所占的空间。编译器管理了对象的整个生命周期。如果编译器无法调用类的析构函数,情况会是怎样的呢?比如,类的析构函数是私有的,编译器无法调用析构函数来释放内存。所以,编译器在为类对象分配栈空间时,会先检查类的析构函数的访问性,其实不光是析构函数,只要是非静态的函数,编译器都会进行检查。如果类的析构函数是私有的,则编译器不会在栈空间上为类对象分配内存。

        因此,将析构函数设为私有,类对象就无法建立在栈上了。代码如下:

  1. class  A  
  2. {  
  3. public :  
  4.     A(){}  
  5.     void  destory(){ delete   this ;}  
  6. private :  
  7.     ~A(){}  
  8. };  
        试着使用A a;来建立对象,编译报错,提示析构函数无法访问。这样就只能使用new操作符来建立对象,构造函数是公有的,可以直接调用。类中必须提供一个destory函数,来进行内存空间的释放。类对象使用完成后,必须调用destory函数。

        上述方法的一个缺点就是,无法解决继承问题。如果A作为其它类的基类,则析构函数通常要设为virtual,然后在子类重写,以实现多态。因此析构函数不能设为private。还好C++提供了第三种访问控制,protected。将析构函数设为protected可以有效解决这个问题,类外无法访问protected成员,子类则可以访问。

        另一个问题是,类的使用很不方便,使用new建立对象,却使用destory函数释放对象,而不是使用delete。(使用delete会报错,因为delete对象的指针,会调用对象的析构函数,而析构函数类外不可访问)这种使用方式比较怪异。为了统一,可以将构造函数设为protected,然后提供一个public的static函数来完成构造,这样不使用new,而是使用一个函数来构造,使用一个函数来析构。代码如下,类似于单例模式:

  1. class  A  
  2. {  
  3. protected :  
  4.     A(){}  
  5.     ~A(){}  
  6. public :  
  7.     static  A* create()  
  8.     {  
  9.         return   new  A();  
  10.     }  
  11.     void  destory()  
  12.     {  
  13.         delete   this ;  
  14.     }  
  15. };  
        这样,调用create()函数在堆上创建类A对象,调用destory()函数释放内存。


2、只能建立在栈上

        只有使用new运算符,对象才会建立在堆上,因此,只要禁用new运算符就可以实现类对象只能建立在栈上。将operator new()设为私有即可。代码如下:

  1. class  A  
  2. {  
  3. private :  
  4.     void * operator  new ( size_t  t){}      // 注意函数的第一个参数和返回值都是固定的   
  5.     void  operator  delete ( void * ptr){}  // 重载了new就需要重载delete   
  6. public :  
  7.     A(){}  
  8.     ~A(){}  
  9. }; 
发表于 2015-06-11 21:01:28 回复(9)
1、只能在堆上生成对象:将析构函数设置为私有。
原因:C++是静态绑定语言,编译器管理栈上对象的生命周期,编译器在为类对象分配栈空间时,会先检查类的析构函数的访问性。若析构函数不可访问,则不能在栈上创建对象。

2、只能在栈上生成对象:将new 和 delete 重载为私有。
原因:在堆上生成对象,使用new关键词操作,其过程分为两阶段:第一阶段,使用new在堆上寻找可用内存,分配给对象;第二阶段,调用构造函数生成对象。
将new操作设置为私有,那么第一阶段就无法完成,就不能够再堆上生成对象。

发表于 2015-08-11 09:05:31 回复(0)
1.只能在堆上:
第一步:设置析构函数为private,构造函数为public,另外生成一个public权限函数来 释放对象
class OnlyHeapClass{
public:
    OnlyHeapClass(){}
    void Destroy()
    {
        OnlyHeapClass::~OnlyHeapClass();//或者 delete this;
    }

private:
    ~OnlyHeapClass(){}
};

说明:  1)动态建立类对象,是使用new运算符将对象建立在堆空间中。这个过程分为两步,第一步是执行operator new()函数,在堆空间中搜索合适的内存并进行分配;第二步是调用构造函数构造对象,初始化这片内存空间(这种方法,间接调用类的构造函数),但是operator new()函数用于分配内存,无法提供构造功能所以不能将构造函数设为私有
        2)C++是静态绑定的语言,在编译时期,所有的非虚函数调用都必须分析完成。则当对象建立在栈上面时,是由编译器分配内存空间的,调用构造函数来构造栈对象。当对象使用完后,编译器会调用析构函数来释放栈对象所占的空间。编译器管理了对象的整个生命周期具体过程为: 通过直接移动栈顶指针,挪出适当的空间,然后在这片内存空间上调用构造函数形成一个栈对象。使用这种方法,直接调用类的构造函数 )。所以,编译器在为类对象分配栈空间时,会先检查类的析构函数的访问性(其实不光是析构函数,只要是非静态的函数,编译器都会进行检查)。如果类的析构函数是私有的,则编译器不会在栈空间上为类对象分配内存 所以 析构函数私有化的类的设计可以保证只能用new命令在堆(heap)中创建对象。

第二步:第一步的实现有两个缺点:1)此类无法继承;2)使用不方便

改进之后的实现如下:
class OnlyHeapClass{
protected:
    OnlyHeapClass(){}
    ~OnlyHeapClass(){}
public:
    static OnlyHeapClass* Create()
    {
        return new OnlyHeapClass;
    }
    void Destroy()
    {
        OnlyHeapClass::~OnlyHeapClass();//或者 delete this;
    }
};

2.只能在栈上
重载new和delete运算符为private
发表于 2015-06-18 10:47:18 回复(0)
只能在堆上:设置构造函数为私有。使用静态函数来new
只能在栈上:重载new和delete 设置为私有
发表于 2015-05-06 16:26:50 回复(0)
More Effective C++中有关于这个话题的介绍。
发表于 2015-08-21 11:30:02 回复(0)
#include <iostream>

class OnlyOnStack {
public:
    OnlyOnStack() {
        std::cout << "ctor!" << std::endl;    
    }
    ~OnlyOnStack() {
        std::cout << "dctor!" << std::endl;    
    }
private:
    void* operator new (std::size_t size);
    void* operator new (std::size_t size, const std::nothrow_t& nothrow_value) noexcept;
    void* operator new (std::size_t size, void* ptr) noexcept;
    void* operator new[](std::size_t size);
    void* operator new[] (std::size_t size, const std::nothrow_t& nothrow_value) noexcept;
    void* operator new[] (std::size_t size, void* ptr) noexcept;
};

int main() {
    OnlyOnStack stack;

    // OnlyOnStack *ps = new OnlyOnStack;
}
发表于 2018-08-04 15:36:42 回复(0)
在堆上生成对象的类:
将析构函数设置为private;
在栈上生成对象的类:
把new设置为private;
发表于 2015-07-09 11:24:38 回复(0)
只在堆上:
私有析构函数
只在栈上:
私有operator new
编辑于 2015-05-26 08:01:47 回复(0)

发表于 2015-05-05 14:20:47 回复(0)