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C++對象計數

編輯:C++入門知識
本文目的是實現一個實用的對C++類計數的類,同時在實現過程中指出一些容易為人忽視的C++知識。
  要實現一個類的對象(實例)計數,即程序運行中此類有多少個對象存在,最容易的實現方法是使用靜態數據成員。如下:

class Widget {

public:

    Widget() { ++count; }

    Widget(const Widget&) { ++count; }

    ~Widget() { --count; }



    static size_t howMany()

    { return count; }



private:

    static size_t count;

};      



//cpp文件中

size_t Widget::count = 0;

      
注意構造函數也要增加計數,這一點很多人容易忘記。
  但是如果程序中有多個需要實例計數的類,則在每個類中加入上面代碼未免繁瑣、易錯。這種情況下,最好是實現一個通用計數類。它應該具備一下特點:
  • 易於使用:任何需要計數的類(以下簡稱客戶類)只要添加少數代碼即可使用;
  • 有效率:不增加客戶類大小,對客戶類性能沒有影響;
  • 健壯:客戶類使用時,不容易誤用。
  • 下面我們將逐步實現並完善這個通用的計數類。

    class Counter {  
    
    public:          
    
        Counter() { ++count; }
    
        Counter(const Counter&) { ++count; }
    
        ~Counter() { --count; }
    
        static size_t howMany()
    
            { return count; }
    
    
    
    private:
    
        static size_t count;
    
    };
    
    
    
    // This still goes in an implementation file
    
    size_t Counter::count = 0;      
    上面這個Counter類能否正確完成計數呢?例如:Widget類利用它來進行實例計數:
    // embed a Counter to count objects
    
    class Widget {
    
    public:
    
        .....  // all the usual public
    
               // Widget stuff
    
        static size_t howMany()
    
        { return Counter::howMany(); }
    
    private:
    
        .....  // all the usual private
    
               // Widget stuff
    
        Counter c;
    
    };     
    
    
    
    //or:
    
    
    
    // inherit from Counter to count objects
    
    class Widget: public Counter {
    
        .....  // all the usual public
    
               // Widget stuff
    
    private:
    
        .....  // all the usual private
    
               // Widget stuff
    
    };            
      對於Widget本身來說,Counter完成了任務。然而,如果我們在同一進程中還需要利用Counter來計數Fish類,顯然,Counter就不能勝任,因為它只有一個靜態成員變量,它會將Widget和Fish的個數一起統計。這個方案不行,怎麼辦?用模板!如下:
    template<typename T>
    
    class Counter {
    
    public:
    
        Counter() { ++count; }
    
        Counter(const Counter&) { ++count; }
    
        ~Counter() { --count; }
    
    
    
        static size_t howMany()
    
        { return count; }
    
    
    
    private:
    
        static size_t count;
    
    };
    
    
    
    // this now can go in header
    
    template<typename T> size_t Counter<T>::count = 0;            
    則上面的實現變成:
    // embed a Counter to count objects
    
    class Widget {
    
    public:
    
        .....
    
        static size_t howMany()
    
        {return Counter<Widget>::howMany();}
    
    private:
    
        .....
    
        Counter<Widget> c;
    
    };
    
    
    
    //or:
    
    
    
    // inherit from Counter to count objects
    
    class Widget: public Counter<Widget> {    
    
        .....
    
    };      
      這樣,其他類就可以使用Counter計數自己的實例了,它們將互不影響。
      上面兩種方案都可正確實現計數,我們繼續探討這兩種方案的優缺點。
      首先講public繼承,即class Widget: public Counter<Widget>這種方案:有經驗的讀者肯定會想到基類Counter的析構函數要變為虛函數。否則通過基類指針delete派生類時,結果未定義(可能導致程序crash或其他)
    Counter<Widget> *pw =  new Widget;  // get base class ptr to derived class object    
    
    ......
    
    delete pw; // yields undefined results if the base class lacks a virtual destructor                  
      但一旦Counter有虛析構函數,就會給類帶入vTable,多占用了空間並影響客戶類的效率。解決方法可以是將析構函數作為protected成員。這樣就不能delete pw,因為它會導致編譯錯誤。
    template<typename T>
    
    class Counter {
    
    public:
    
        .....
    
    protected:
    
        ~Counter() { --count; }
    
        .....
    
    };   
      其次,Counter作為客戶類的成員變量這種方案(這時Counter的析構函數必須public)。一個明顯的缺點是客戶類必須定義Counter為其成員變量同時還得定義一個inline函數以調用Counter類得HowMany函數。另一個較隱蔽的缺點:它增大了客戶類所占用的內存。Counter類沒有非靜態成員變量,有人就可能會認為Counter對象的大小為0,其實不然,C++規定所有對象的大小最小必須為1字節。所以這用方案增加了客戶類的大小。使用派生則不一樣,基類size可以0,所以public繼承方案不會增加客戶類的大小。
      除了上面兩種方案,還可以使用private繼承,即class Widget: private Counter<Widget>。類似於第一種方案:
    class Widget: private Counter<Widget> {
    
    public:
    
        // make howMany public
    
        using Counter<Widget>::howMany; 
    
    
    
        ..... // rest of Widget is unchanged
    
    };            
    它直接防止下面的代碼:
    Counter<Widget> *pw =  new Widget; 	//私有繼承不允許這樣轉換            
      綜合看來,public繼承方案已經比較完善了。然而,還是有些值得注意的地方。假如有另一個類SpecialWidget,其繼承於Widget,對類SpecialWidget的對象計數就只能如下:
    class SpecialWidget: public Widget,
    
        public Counter<SpecialWidget> {
    
    public:    
    
    };            
      這樣,對SpecialWidget的對象計數是正確的,但對Widget對象的計數是錯誤的。這時Widget的計數是Widget類的所有對象SpecialWidget類的所有對象的總和。為什麼?因為每創建一個SpecialWidget對象,Widget構造函數就要調用一次,就增加一次計數。

    總結

      用模板實現的這個對象計數類可以滿足絕大多數需求,但不適用於計數有繼承關系的類。本文的核心思想來源於CUG上C++大師Scott Meyers的一篇文章並有所改動。   

     

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