条款26：限制某个类所能产生的对象数量(上）
你很痴迷于对象，但是有时你又想束缚住你的疯狂。例如你在系统中只有一台打印机，所以你想用某种方式把打印机对象数目限定为一个。或者你仅仅取得16个可分发出去的文件描述符，所以应该确保文件描述符对象存在的数目不能超过16个。你如何能够做到这些呢？如何去限制对象的数量呢？
如果这是一个用数学归纳法进行的证明，你会从n=1开始证明，然后从此出发推导出其它证明。幸运的是这既不是一个证明也不是一个归纳。而从n=0开始更具有启发性，所以我们就从这里开始。你如何能够彻底阻止对象实例化（instantiate）呢？
允许建立零个或一个对象
每次实例化一个对象时，我们很确切地知道一件事情：“将调用一个构造函数。”事实确实这样，阻止建立某个类的对象，最容易的方法就是把该类的构造函数声明在类的private域：
class CantBeInstantiated {
private:
CantBeInstantiated();
CantBeInstantiated(const CantBeInstantiated&);
...
;
这样做以后，每个人都没有权力建立对象，我们能够有选择性地放松这个限制。例如如果想为打印机建立类，但是要遵守我们只有一个对象可用的约束，我们应把打印机对象封装在一个函数内，以便让每个人都能访问打印机，但是只有一个打印机对象被建立。：
class PrintJob; // forward 声明
// 参见Effective C++条款34
class Printer {
public:
void submitJob(const PrintJob& job);
void reset();
void performSelfTest();
...
friend Printer& thePrinter();
private:
Printer();
Printer(const Printer& rhs);
...
};
Printer& thePrinter()
{
static Printer p; // 单个打印机对象
return p;
}
这个设计由三个部分组成，第一、Printer类的构造函数是private。这样品能阻止建立对象。第二、全局函数thePrinter被声明为类的友元，让thePrinter避免私有构造含函数引起的限制。最后thePrinter包含一个静态Printer对象，这意味着只有一个对象被建立。
客户端代码无论何时要与系统的打印机进行交互访问，它都要使用thePrinter函数：
class PrintJob {
public:
PrintJob(const string& whatToPrint);
...
};
string buffer;
... //填充buffer
thePrinter().reset();
thePrinter().submitJob(buffer);
当然你感到thePrinter使用全局命名空间完全是多余的。“是的” ，你会说，“全局函数看起来象全局变量，但是全局变量是gauche(不知如何翻译 译者注)，我想把所有与打印有关的功能都放到Printer类里。”好的，我绝不敢与使用象gauche这样的词的人争论（有些不明白这里的意思译者注），这很简单，只要在Prihter类中声明thePrinter为静态函数，然后把它放在你想放的位置。就不再需要友元声明了。使用静态函数，如下所示：
class Printer {
public:
static Printer& thePrinter();
...
private:
Printer();
Printer(const Printer& rhs);
...
};
Printer& Printer::thePrinter()
{
static Printer p;
return p;
}
客户端使用printer时有些繁琐：
Printer::thePrinter().reset();
Printer::thePrinter().submitJob(buffer);
另一种方法是把thePrinter移出全局域，放入namespace（命名空间）（参见Effective C++条款28）。命名空间是C + +一个较新的特性。任何能在全局域声明东西也能在命名空间里声明。包括类、结构、函数、变量、对象、typedef等等。把它们放入命名空间并不影响它们的行为特性，不过能够防止在不同命名空间里的实体发生命名冲突。把Printer类和thePrinter函数放入一个命名空间，我们就不用担心别人也会使用Printer和thePrinter名字；命名空间能够防止命名冲突。
命名空间从句法上来看有些象类，但是它没有public、protected或private域。所有都是public。如下所示，我们把Printer、thePrinter放入叫做PrintingStuff的命名空间里：
namespace PrintingStuff {
class Printer { // 在命名空间
public: // PrintingStuff中的类
void submitJob(const PrintJob& job);
void reset();
void performSelfTest();
...
friend Printer& thePrinter();
private:
Printer();
Printer(const Printer& rhs);
...
};
Printer& thePrinter() // 这个函数也在命名空间里
{
static Printer p;
return p;
}
}
// 命名空间到此结束
使用这个命名空间后，客户端可以通过使用fully-qualified name（完全限制符名）（即包括命名空间的名字），
PrintingStuff::thePrinter().reset();
PrintingStuff::thePrinter().submitJob(buffer);
但是也可以使用using声明，以简化键盘输入：
using PrintingStuff::thePrinter; // 从命名空间"PrintingStuff"
//引入名字"thePrinter"
// 使其成为当前域
thePrinter().reset(); // 现在可以象使用局部命名
thePrinter().submitJob(buffer); // 一样，使用thePrinter
在thePrinter的实现上有两个微妙的不引人注目的地方，值得我们看一看。第一，单独的Pritner是位于函数里的静态成员而不是在类中的静态成员，这样做是非常重要的。在类中的一个静态对象实际上总是被构造（和释放），即使不使用该对象。与此相反，只有第一次执行函数时，才会建立函数中的静态对象，所以如果没有调用函数，就不会建立对象。（不过你得为此付出代价，每次调用函数时都得检查是否需要建立对象。）建立C++一个理论支柱是你不需为你不用的东西而付出，在函数里，把类似于Printer这样的对象定义为静态成员就是坚持这样的理论。你应该尽可能坚持这种理论。
与一个函数的静态成员相比，把Printer声明为类中的静态成员还有一个缺点，它的初始化时间不确定。我们能够准确地知道函数的静态成员什么时候被初始化：“在第一次执行定义静态成员的函数时”。而没有定义一个类的静态成员被初始化的时间。C++为一个translation unit（也就是生成一个object文件的源代码的集合）内的静态成员的初始化顺序提供某种保证，但是对于在不同translation unit中的静态成员的初始化顺序则没有这种保证（参见Effective C++条款47）。在实际使用中，这会给我们带来许多麻烦。当函数的静态成员能够满足我们的需要时，我们就能避免这些麻烦。在这里的例子里，既然它能够满足需要，我们为什么不用它呢？
第二个细微之处是内联与函数内静态对象的关系。再看一下thePrinter的非成员函数形式：
Printer& thePrinter()
{
static Printer p;
return p;
}
除了第一次执行这个函数时（也就是构造p时），其它时候这就是一个一行函数——它由"return p;"一条语句组成。这个函数最适合做为内联函数使用。然而它不能被声明为内联。为什么呢？请想一想，为什么你要把对象声明为静态呢？通常是因为你只想要该对象的一个拷贝。现在再考虑“内联” 意味着什么呢？从概念上讲，它意味着编译器用函数体替代该对函数的每一个调用，不过非成员函数除外。非成员函数还有其它的含义。它还意味着internal linkage（内部链接）。
通常情况下，你不需要理解这种语言上令人迷惑的东西，你只需记住一件事：“带有内部链接的函数可能在程序内被复制（也就是说程序的目标（object）代码可能包含一个以上的内部链接函数的代码），这种复制也包括函数内的静态对象。”结果如何？如果建立一个包含局部静态对象的非成员函数，你可能会使程序的静态对象的拷贝超过一个！所以不要建立包含局部静态数据的非成员函数。
但是你可能认为建立函数来返回一个隐藏对象的引用，这种限制对象的数量的方法是错误的。也许你认为只需简单地计算对象的数目，一旦需要太多的对象，就抛出异常，这样做也许会更好。如下所示，这样建立printer对象，：
class Printer {
public:
class TooManyObjects{}; // 当需要的对象过多时
// 就使用这个异常类
Printer();
~Printer();
...
private:
static size_t numObjects;
Printer(const Printer& rhs); // 这里只能有一个printer，
// 所以不允许拷贝
}; // （参见Effective C++ 条款27）
此法的核心思想就是使用numObjects跟踪Pritner对象存在的数量。当构造类时，它的值就增加，释放类时，它的值就减少。如果试图构造过多的Printer对象，就会抛出一个TooManyObjects类型的异常：
// Obligatory definition of the class static
size_t Printer::numObjects = 0;
Printer::Printer()
{
if (numObjects >= 1) {
throw TooManyObjects();
}
继续运行正常的构造函数;
++numObjects;
}
Printer::~Printer()
{
进行正常的析构函数处理;
--numObjects;
}
这种限制建立对象数目的方法有两个较吸引人的优点。一个是它是直观的，每个人都能理解它的用途。另一个是很容易推广它的用途，可以允许建立对象最多的数量不是一，而是其它大于一的数字。
建立对象的环境
这种方法也有一个问题。假设我们一个特殊的打印机，是彩色打印机。这种打印机类有许多地方与普通的打印机类相同，所以我们从普通打印类继承下来：
class ColorPrinter: public Printer {
...
};
现在假设我们系统有一个普通打印机和一个彩色打印机：
Printer p;
ColorPrinter cp;
这两个定义会产生多少Pritner对象？答案是两个：一个是p，一个是cp。在运行时，当构造cp的基类部分时，会抛出TooManyObjects异常。对于许多程序员来说，这可不是他们所期望的事情。（设计时避免从其它的concrete类继承concrete类，就不会遇到这种问题。这种设计思想详见条款33）。
当其它对象包含Printer对象时，会发生同样的问题：
class CPFMachine { // 一种机器，可以复印，打印
private: // 发传真。
Printer p; // 有打印能力
FaxMachine f; // 有传真能力
CopyMachine c; // 有复印能力
...
};
CPFMachine m1; // 运行正常
CPFMachine m2; // 抛出 TooManyObjects异常
问题是Printer对象能存在于三种不同的环境中：只有它们本身；作为其它派生类的基类；被嵌入在更大的对象里。存在这些不同环境极大地混淆了跟踪“存在对象的数目” 的含义，因为你心目中的“对象的存在” 的含义与编译器不一致。
通常你仅会对允许对象本身存在的情况感兴趣，你希望限制这种实例（instantiation）的数量。如果你使用最初的Printer类示例的方法，就很容易进行这种限制，因为Printer构造函数是private，（不存在friend声明）带有private构造函数的类不能作为基类使用，也不能嵌入到其它对象中。
你不能从带有private构造函数的类派生出新类，这个事实导致产生了一种阻止派生类的通用方法，这种方法不需要和限制对象实例数量的方法一起使用。例如，你有一个类FSA，表示一个finite state automata(有限态自动机) 。（这种机器能用于很多环境下，比如用户界面设计），并假设你允许建立任意数量的对象，但是你想禁止从FSA派生出新类。（这样做的一个原因是表明在FSA中存在非虚析构函数。Effective C++ 条款14解释了为什么基类通常需要虚拟析构函数，本书条款24解释了为什么没有虚函数的类比同等的具有虚函数的类要小。）如下所示，这样设计FSA可以满足你的这两点需求：
class FSA {
public:
// 伪构造函数
static FSA * makeFSA();
static FSA * makeFSA(const FSA& rhs);
...
private:
FSA();
FSA(const FSA& rhs);
...
};
FSA * FSA::makeFSA()
{ return new FSA(); }
FSA * FSA::makeFSA(const FSA& rhs)
{ return new FSA(rhs); }
不象thePrinter函数总是返回一个对象的引用（引用的对象是固定的），每个makeFSA的伪构造函数则是返回一个指向对象的指针（指向的对象都是惟一的，不相同的）。也就是说允许建立的FSA对象数量没有限制。
那好，不过每个伪构造函数都调用new这个事实暗示调用者必须记住调用delete。否则就会发生资源泄漏。如果调用者希望退出生存空间时delete会被自动调用，他可以把makeFSA返回的指针存储在auto_ptr中（参见条款9）；当它们自己退出生存空间时，这种对象能自动地删除它们所指向的对象：
// 间接调用缺省FSA构造函数
auto_ptr<FSA> pfsa1(FSA::makeFSA());
// indirectly call FSA copy constructor
auto_ptr<FSA> pfsa2(FSA::makeFSA(*pfsa1));
... // 象通常的指针一样使用pfsa1和pfsa2,
//不过不用操心删除它们。
