C++ 限制类对象数量的技巧与实践 - 教程

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

1. 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();

2. 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。

3. 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

实现时需关注静态对象初始化、命名冲突、继承陷阱，根据场景选择方案。

（注：代码基于《More Effective C++》条款26，结合现代C++特性优化。）