C++學(xué)習(xí)筆記之pimpl用法詳解

前言

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本文主要給大家介紹了關(guān)于C++中pimpl用法的相關(guān)內(nèi)容，分享出來供大家參考學(xué)習(xí)，下面話不多說了，來一起看看詳細的介紹：

C++的pImpl可以說是最常見的慣用手法了，在很多的C++項目和C++開發(fā)庫中都有所見。plmp的縮寫就是Pointer to Implementor，顧名思義就是將真正的實現(xiàn)細節(jié)的Implementor從類定義的頭文件中分離出去，公有類通過一個私有指針指向隱藏的實現(xiàn)類，是促進接口和實現(xiàn)分離的重要機制。

在C++語言中，要定義某個類型的變量或者使用類型的某個成員，就必須知道這個類的完整定義，其例外情況是：如果定義這個類型的指針，或者該類型是函數(shù)的參數(shù)或者返回類型(即使是傳值類型的)，那么就可以通過前置聲明引入這個類型的名字，而不需要提供暴露其完整的類型定義，從而類型的完整定義可以被隱藏在其他hpp頭文件或者cpp實現(xiàn)文件中，而這個指針也被稱為不透明指針(opaque pointer)。通常的pImp的手法是在API的頭文件中提供接口類的定義以及實現(xiàn)類的前置聲明，實現(xiàn)類的本身定義和成員函數(shù)的實現(xiàn)都隱藏在cpp文件中去，同時為了避免實現(xiàn)類的符號污染外部名字空間，實現(xiàn)類大多作為接口類的內(nèi)部嵌套類的形式。

一、pImpl手法的優(yōu)勢和目的

1.1 信息隱蔽

私有成員完全可以隱藏在共有接口之外，尤其對于閉源API的設(shè)計尤其的適合。同時，很多代碼會應(yīng)用平臺依賴相關(guān)的宏控制，這些瑣碎的東西也完全可以隱藏在實現(xiàn)類當中，給用戶一個間接明了的使用接口再好不過了。

1.2 加速編譯

這通常是用pImpl手法的最重要的收益，稱之為編譯防火墻(compilation firewall)，主要是阻斷了類的實現(xiàn)和類的實現(xiàn)兩者的編譯依賴性。這樣，類用戶不需要額外include不必要的頭文件，同時實現(xiàn)類的成員可以隨意變更，而公有類的使用者不需要重新編譯。

1.3 更好的二進制兼容性

承接上面說的，通常對一個類的修改，會影響到類的大小、對象的表示和布局等信息，那么任何該類的用戶都需要重新編譯才行。而且即使更新的是外部不可訪問的private部分，雖然從訪問性來說此時只有類成員和友元能否訪問類的私有部分，但是由于C++的特性是名字查找先于名字查找和重載解析的(即使不可訪問也會返回調(diào)用失敗，而不是視而不見)，私有部分的修改也會影響到類使用者的行為，這也迫使類的使用者需要重新編譯。而對于使用pImpl手法，如果實現(xiàn)變更被限制在實現(xiàn)類中，那公有類只持有一個實現(xiàn)類的指針，所以實現(xiàn)做出重大變更的情況下，pImpl也能夠保證良好的二進制兼容性。

因此，獨立和自由是pImpl的精髓所在。

1.4 惰性分配

實現(xiàn)類可以做到按需分配或者實際使用時候再分配，從而節(jié)省資源提高響應(yīng)。如果你意識到這點了，那是很不錯的。

二、公有類和實現(xiàn)類的隔離程度

由于公有類是實現(xiàn)類的抽象，實現(xiàn)類是公有類的封裝隱藏，推薦的隔離方式是：將所有非virtual的private成員都放置到impl中去，同時將private成員函數(shù)需要調(diào)用的公有函數(shù)也放置到impl中去，virtual函數(shù)和protected的成員不應(yīng)當放到impl中去。

protected的成員放到impl中沒有任何的意義，因為protected是相對于繼承關(guān)系而生效的；同樣的，virtual成員也不應(yīng)該放到impl中去，因為virtual函數(shù)需要被繼承鏈中的派生類去override。這里需要提到，virtual函數(shù)也可以是private的，函數(shù)的virtual和access兩者是正交毫無關(guān)聯(lián)的，即使派生類無法訪問基類的虛函數(shù)，但是派生類仍然可以override基類的虛函數(shù)！這引出了一個Template Method的設(shè)計模式。

將private函數(shù)需要調(diào)用到的public方法也放到impl中去，是為了避免下面所描述的back pointer帶來開銷的妥協(xié)。當然，還有一種極端的方式是除此以外將所有的public成員都丟到impl中去，那么公有類就相當于一個接口類，進而所有接口都需要一個wrapper進行調(diào)用的轉(zhuǎn)發(fā)，此時公有類會實現(xiàn)的比較無趣和雜亂，而且無法被繼承復(fù)用。

三、pImpl實現(xiàn)需要注意事項

3.1 資源管理

盡可能避免的使用原始指針來創(chuàng)建和delete釋放實現(xiàn)類對象，使用boost::scoped_ptr或者std::unique_ptr來管理實現(xiàn)類對象，而且如果確實需要實現(xiàn)類共享，可以使用boost::shared_ptr來管理。同時scoped_ptr、unique_ptr實現(xiàn)上要比shared_ptr高效的多。

如果使用智能指針管理實現(xiàn)類對象的話，使用unique_ptr則需要手動在實現(xiàn)文件中定義共有類的析構(gòu)函數(shù)，這是因為雖然unique_ptr和shared_ptr都可以在類型不完全的情況下定義其智能指針，但是unique_ptr其析構(gòu)函數(shù)則需要具有持有類型的完全定義，而shared_ptr比較智能則沒有這個限制。

3.2 拷貝語義

pImpl最需要關(guān)注的就是共有類的復(fù)制語義，因為實現(xiàn)類是以指針的方式作為共有類的一個成員，而默認C++生成的拷貝操作只會執(zhí)行對象的淺復(fù)制，這顯然違背了pImpl的原本意圖，除非是真的想要底層共享一個實現(xiàn)對象。針對這個問題，解決方式有：

a. 禁止復(fù)制操作，將所有的復(fù)制操作定義為private的，或者繼承boost::noncopyable，或者在新標準中將這些復(fù)制操作定義為delete的即刻；

b. 顯式定義復(fù)制語義，創(chuàng)建新的實現(xiàn)類對象，執(zhí)行深度復(fù)制操作。此處需要記住0-3-5法則哦，要么不定義拷貝、移動操作符，要定義就需要將他們?nèi)恐匦露x。

3.3 impl對公有類的反向引用

實現(xiàn)類中的私有成員如果需要訪問公有類的公共、保護的成員，就必須要能夠引用到公有類對象，實現(xiàn)其手段有：

a. impl持有一個對公有類對象的指針或者引用。雖然方便但是往往會有問題：如果持有的是引用，則拷貝賦值就難以實現(xiàn)，如果持有的是指針，則需要小心指針有效性的同步負擔(比如移動操作)。

b. 推薦的方式，是impl中的這些函數(shù)都增加一個對公有類的引用或者指針，那么其調(diào)用方法類似于：

pimpl->func(this, params);

3.4 pImpl手法的缺點：

a. 該手法需要在調(diào)用和實現(xiàn)之間插入了一個指針，公有類在訪問私有成員的時候都需要增加mImpl->前綴的方式，使用、閱讀和調(diào)試都可能有所不便；

b. pImpl對拷貝操作比較敏感，要么你禁止拷貝操作，要么就需要自定義拷貝操作；

c. 編譯器將不再能夠捕獲const方法中對成員變量的修改，因為私有成員變量已經(jīng)從公有類脫離到了實現(xiàn)類當中了，公有類的const只能保護指針值本身是否改變，而不再能進一步保護其所指向的數(shù)據(jù)。如果要達到類似的保護效果，可以使用std::experimental::propagate_const技術(shù)。

pImpl是一個很重要、實用的編程技巧，強烈建議掌握之！

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學(xué)習(xí)或者工作能帶來一定的幫助，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對創(chuàng)新互聯(lián)的支持。

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