前言

　　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(lái)供大家參考學(xué)習(xí)，下面話(huà)不多說(shuō)了，來(lái)一起看看詳細(xì)的介紹：

　　C++的pImpl可以說(shuō)是最常見(jiàn)的慣用手法了，在很多的C++項(xiàng)目和C++開(kāi)發(fā)庫(kù)中都有所見(jiàn)。plmp的縮寫(xiě)就是Pointer to Implementor，顧名思義就是將真正的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的Implementor從類(lèi)定義的頭文件中分離出去，公有類(lèi)通過(guò)一個(gè)私有指針指向隱藏的實(shí)現(xiàn)類(lèi)，是促進(jìn)接口和實(shí)現(xiàn)分離的重要機(jī)制。

　　在C++語(yǔ)言中，要定義某個(gè)類(lèi)型的變量或者使用類(lèi)型的某個(gè)成員，就必須知道這個(gè)類(lèi)的完整定義，其例外情況是：如果定義這個(gè)類(lèi)型的指針，或者該類(lèi)型是函數(shù)的參數(shù)或者返回類(lèi)型(即使是傳值類(lèi)型的)，那么就可以通過(guò)前置聲明引入這個(gè)類(lèi)型的名字，而不需要提供暴露其完整的類(lèi)型定義，從而類(lèi)型的完整定義可以被隱藏在其他hpp頭文件或者cpp實(shí)現(xiàn)文件中，而這個(gè)指針也被稱(chēng)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(lèi)的定義以及實(shí)現(xiàn)類(lèi)的前置聲明，實(shí)現(xiàn)類(lèi)的本身定義和成員函數(shù)的實(shí)現(xiàn)都隱藏在cpp文件中去，同時(shí)為了避免實(shí)現(xiàn)類(lèi)的符號(hào)污染外部名字空間，實(shí)現(xiàn)類(lèi)大多作為接口類(lèi)的內(nèi)部嵌套類(lèi)的形式。

一、pImpl手法的優(yōu)勢(shì)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(duì)于閉源API的設(shè)計(jì)尤其的適合。同時(shí)，很多代碼會(huì)應(yīng)用平臺(tái)依賴(lài)相關(guān)的宏控制，這些瑣碎的東西也完全可以隱藏在實(shí)現(xiàn)類(lèi)當(dāng)中，給用戶(hù)一個(gè)間接明了的使用接口再好不過(guò)了。

1.2 加速編譯

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

1.3 更好的二進(jìn)制兼容性

　　承接上面說(shuō)的，通常對(duì)一個(gè)類(lèi)的修改，會(huì)影響到類(lèi)的大小、對(duì)象的表示和布局等信息，那么任何該類(lèi)的用戶(hù)都需要重新編譯才行。而且即使更新的是外部不可訪(fǎng)問(wèn)的private部分，雖然從訪(fǎng)問(wèn)性來(lái)說(shuō)此時(shí)只有類(lèi)成員和友元能否訪(fǎng)問(wèn)類(lèi)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(fǎng)問(wèn)也會(huì)返回調(diào)用失敗，而不是視而不見(jiàn))，私有部分的修改也會(huì)影響到類(lèi)使用者的行為，這也迫使類(lèi)的使用者需要重新編譯。而對(duì)于使用pImpl手法，如果實(shí)現(xiàn)變更被限制在實(shí)現(xiàn)類(lèi)中，那公有類(lèi)只持有一個(gè)實(shí)現(xiàn)類(lèi)的指針，所以實(shí)現(xiàn)做出重大變更的情況下，pImpl也能夠保證良好的二進(jìn)制兼容性。

　　因此，獨(dú)立和自由是pImpl的精髓所在。

1.4 惰性分配

　　實(shí)現(xiàn)類(lèi)可以做到按需分配或者實(shí)際使用時(shí)候再分配，從而節(jié)省資源提高響應(yīng)。如果你意識(shí)到這點(diǎn)了，那是很不錯(cuò)的。

二、公有類(lèi)和實(shí)現(xiàn)類(lèi)的隔離程度

　　由于公有類(lèi)是實(shí)現(xiàn)類(lèi)的抽象，實(shí)現(xiàn)類(lèi)是公有類(lèi)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(shí)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(dāng)放到impl中去。

　　protected的成員放到impl中沒(méi)有任何的意義，因?yàn)閜rotected是相對(duì)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?yàn)関irtual函數(shù)需要被繼承鏈中的派生類(lèi)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(wú)關(guān)聯(lián)的，即使派生類(lèi)無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)基類(lèi)的虛函數(shù)，但是派生類(lèi)仍然可以override基類(lèi)的虛函數(shù)！這引出了一個(gè)Template Method的設(shè)計(jì)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(lái)開(kāi)銷(xiāo)的妥協(xié)。當(dāng)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(lèi)就相當(dāng)于一個(gè)接口類(lèi)，進(jìn)而所有接口都需要一個(gè)wrapper進(jìn)行調(diào)用的轉(zhuǎn)發(fā)，此時(shí)公有類(lèi)會(huì)實(shí)現(xiàn)的比較無(wú)趣和雜亂，而且無(wú)法被繼承復(fù)用。

三、pImpl實(shí)現(xiàn)需要注意事項(xiàng)

3.1 資源管理

　　盡可能避免的使用原始指針來(lái)創(chuàng)建和delete釋放實(shí)現(xiàn)類(lèi)對(duì)象，使用boost::scoped_ptr或者std::unique_ptr來(lái)管理實(shí)現(xiàn)類(lèi)對(duì)象，而且如果確實(shí)需要實(shí)現(xiàn)類(lèi)共享，可以使用boost::shared_ptr來(lái)管理。同時(shí)scoped_ptr、unique_ptr實(shí)現(xiàn)上要比shared_ptr高效的多。

　　如果使用智能指針管理實(shí)現(xiàn)類(lèi)對(duì)象的話(huà)，使用unique_ptr則需要手動(dòng)在實(shí)現(xiàn)文件中定義共有類(lèi)的析構(gòu)函數(shù)，這是因?yàn)殡m然unique_ptr和shared_ptr都可以在類(lèi)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(lèi)型的完全定義，而shared_ptr比較智能則沒(méi)有這個(gè)限制。

3.2 拷貝語(yǔ)義

　　pImpl最需要關(guān)注的就是共有類(lèi)的復(fù)制語(yǔ)義，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)類(lèi)是以指針的方式作為共有類(lèi)的一個(gè)成員，而默認(rèn)C++生成的拷貝操作只會(huì)執(zhí)行對(duì)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(gè)實(shí)現(xiàn)對(duì)象。針對(duì)這個(gè)問(wèn)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(biāo)準(zhǔn)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(yǔ)義，創(chuàng)建新的實(shí)現(xiàn)類(lèi)對(duì)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(dòng)操作符，要定義就需要將他們?nèi)恐匦露x。

3.3 impl對(duì)公有類(lèi)的反向引用

　　實(shí)現(xiàn)類(lèi)中的私有成員如果需要訪(fǎng)問(wèn)公有類(lèi)的公共、保護(hù)的成員，就必須要能夠引用到公有類(lèi)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)其手段有：

　　a. impl持有一個(gè)對(duì)公有類(lèi)對(duì)象的指針或者引用。雖然方便但是往往會(huì)有問(wèn)題：如果持有的是引用，則拷貝賦值就難以實(shí)現(xiàn)，如果持有的是指針，則需要小心指針有效性的同步負(fù)擔(dān)(比如移動(dòng)操作)。

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

pimpl->func(this, params);

3.4 pImpl手法的缺點(diǎn)：

　　a. 該手法需要在調(diào)用和實(shí)現(xiàn)之間插入了一個(gè)指針，公有類(lèi)在訪(fǎng)問(wèn)私有成員的時(shí)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(duì)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(duì)成員變量的修改，因?yàn)樗接谐蓡T變量已經(jīng)從公有類(lèi)脫離到了實(shí)現(xiàn)類(lèi)當(dāng)中了，公有類(lèi)的const只能保護(hù)指針值本身是否改變，而不再能進(jìn)一步保護(hù)其所指向的數(shù)據(jù)。如果要達(dá)到類(lèi)似的保護(hù)效果，可以使用std::experimental::propagate_const技術(shù)。

　　pImpl是一個(gè)很重要、實(shí)用的編程技巧，強(qiáng)烈建議掌握之！

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作能帶來(lái)一定的幫助，如果有疑問(wèn)大家可以留言交流，謝謝大家對(duì)我們的支持。