c++如何控制对象的创建方式（禁止创建栈对象or堆对象）和创建的数量

我们知道，C++将内存划分为三个逻辑区域：堆、栈和静态存储区。既然如此，我称位于它们之中的对象分别为堆对象，栈对象以及静态对象。通常情况下，对象创建在堆上还是在栈上，创建多少个，这都是没有限制的。但是有时会遇到一些特殊需求。

1.禁止创建栈对象

禁止创建栈对象，意味着只能在堆上创建对象。创建栈对象时会移动栈顶指针以“挪出”适当大小的空间，然后在这个空间上直接调用类的构造函数以形成一个栈对象。而当栈对象生命周期结束，如栈对象所在函数返回时，会调用其析构函数释放这个对象，然后再调整栈顶指针收回那块栈内存。在这个过程中是不需要operator new/delete操作的，所以将operator new/delete设置为private不能达到目的。

可以将构造函数或析构函数设为私有的，这样系统就不能调用构造/析构函数了，当然就不能在栈中生成对象了。这样的确可以，但有一点需要注意，那就是如果我们将构造函数设置为私有，那么我们也就不能用new来直接产生堆对象了，因为new在为对象分配空间后也会调用它的构造函数。所以，如果将构造函数和析构函数都声明为private会带来较大的副作用，最好的方法是将析构函数声明为private，而构造函数保持为public。

再进一步，将析构函数设为private除了会限制栈对象生成外，还有其它影响吗？是的，这还会限制继承。如果一个类不打算作为基类，通常采用的方案就是将其析构函数声明为private。为了限制栈对象，却不限制继承，我们可以将析构函数声明为protected，这样就两全其美了。如下代码所示：

class NoStackObject{ 
protected: 
 ~NoStackObject(){} 
public: 
 void destroy(){ 
  delete this ;//调用保护析构函数 
 } 
};

上面的类在创建栈对象时，如NoStackObject obj;时编译将会报错，而采用new的方式，编译就会通过。需要注意一点的是，通过new创建堆对象时，在手动释放对象内存时，我们需要调用其析构函数，这时就需要一点技巧来辅助——引入伪析构函数destory，如上面的代码所示。

方法拓展。 

仔细一看，我们会发现上面的方法让人别扭。我们用new创建一个对象，却不是用delete去删除它，而是要用destroy方法。很显然，用户会不习惯这种怪异的使用方式。所以，可以将构造函数也设为private或protected。这又回到了上面曾试图避免的问题，即不用new，那么该用什么方式来生成一个对象了？我们可以用间接的办法完成，即让这个类提供一个static成员函数专门用于产生该类型的堆对象。（设计模式中的singleton模式就可以用这种方式实现。）让我们来看看：

class NoStackObject { 
protected: 
 NoStackObject() { } 
 ~NoStackObject() { } 
public: 
 static NoStackObject* creatInstance() {
 return new NoStackObject() ;//调用保护的构造函数 
} 
 void destroy() {
  delete this ;//调用保护的析构函数 
 } 
};

现在可以这样使用NoStackObject类了：

NoStackObject* hash_ptr = NoStackObject::creatInstance() ; 
... ... //对hash_ptr指向的对象进行操作 
hash_ptr->destroy() ; 
hash_ptr = NULL ; //防止使用悬挂指针

现在感觉是不是好多了，生成对象和释放对象的操作一致了。

2.禁止创建堆对象

我们已经知道，产生堆对象的唯一方法是使用new操作，如果我们禁止使用new不就行了么。再进一步，new操作执行时会调用operator new，而operator new是可以重载的。方法有了，就是使new operator 为private，为了对称，最好将operator delete也重载为private。

class NoStackObject{
private:
 static void* operator new(size_t size);
 static void operator delete(void* ptr);
};

//用户代码
NoStackObject obj0;    //OK
static NoStackObject obj1;  //OK
NoStackObject * pObj2 = new NoStackObject; //ERROR

如果也想禁止堆对象数组，可以把operator new[]和operator delete[]也声明为private。

这里同样在继承时存在问题，如果派生类改写了operator new和operator delete并声明为public，则基类中原有的private版本将失效，参考如下代码：

class NoStackObject{
protected:
 static void* operator new(size_t size);
 static void operator delete(void* ptr);
};


class NoStackObjectSon:public NoStackObject{
public:
 static void* operator new(size_t size){ //非严格实现，仅作示意之用 
  return malloc(size);
 };
 static void operator delete(void* ptr){ //非严格实现，仅作示意之用 
  free(ptr);
 };
};

//用户代码
NoStackObjectSon* pObj2 = new NoStackObjectSon; //OK

3.控制实例化对象的个数

在游戏设计中，我们采用类CGameWorld作为游戏场景的抽象描述。然而在游戏运行过程中，游戏场景只有一个，也就是对CGameWorld对象的只有一个。对于对象的实例化，有一点是十分确定的：要调用构造函数。所以，如果想控制CGameWorld的实例化对象只有一个，最简单的方法就是将构造函数声明为private，同时提供一个static对象。如下：

class CGameWorld
{
public:
 bool Init();
 void Run();
private:
 CGameWorld();
 CGameWorld(const CGameWorld& rhs);

 friend CGameWorld& GetSingleGameWorld();
};

CGameWorld& GetSingleGameWorld()
{
 static CGameWorld s_game_world;
 return s_game_world;
}

这个设计有三个要点： 

 (1)类的构造函数是private，阻止对象的建立；
 (2)GetSingleGameWorld函数被声明为友元，避免了私有构造函数引起的限制；
 (3)s_game_world为一个静态对象，对象唯一。

当用到CGameWorld的唯一实例化对象时，可以如下：

GetSingleGameWorld().Init();
GetSingleGameWorld().Run();

如果有人对GetSingleGameWorld是一个全局函数有些不爽，或者不想使用友元，将其声明为类CGameWorld的静态函数也可以达到目的，如下：

class CGameWorld
{
public:
 bool Init();
 void Run();
 static CGameWorld& GetSingleGameWorld();
private：
 CGameWorld();
 CGameWorld(const CGameWorld& rhs);
};

这就是设计模式中著名的单件模式：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

如果我们想让对象产生的个数不是一个，而是最大为N(N>0)个。可以在类内部设置一个静态计数变量，在调用构造函数时，该变量加1，当调用析构函数时，该变量减1。如下：

class CObject
{
public:
 CObject();
 ~CObject();
private:
 static size_t m_nObjCount;
 ...
};

CObject::CObject()
{
 if (m_nObjCount > N)
  throw;
 m_nObjCount++;
}

CObject::~CObject()
{
 m_nObjCount--;
}
size_t CObject::m_nObjCount;

掌握控制类的实例化对象个数的方法。当实例化对象唯一时，采用设计模式中的单件模式；当实例化对象为N(N>0)个时，设置计数变量是一个思路。

阅读上面的示例代码还需要注意抛出异常时没有对象，即throw后没有对象，有两种含义： 

 （1）如果throw;在catch块中或被catch块调用的函数中出现，表示重新抛出异常。throw;表达式将重新抛出当前正在处理的异常。 我们建议采用该形式，因为这将保留原始异常的多态类型信息。重新引发的异常对象是原始异常对象，而不是副本。

（2）如果throw;出现在非catch块中，表示抛出不能被捕获的异常，即使catch(…)也不能将其补捕获。

4.小结

堆对象，栈对象以及静态对象统称为内存对象，如果要把内存对象理解的更为深入，推荐看看《深入探索C++对象模型》这本书。

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