明智地使用Pimpl

待我称王封你为后i 2021-09-14 22:28 349阅读 0赞

明智地使用Pimpl

首先引用一下别人的内容

pimpl 用法背后的思想是把客户与所有关于类的私有部分的知识隔离开。由于客户是依赖于类的头文件的，头文件中的任何变化都会影响客户，即使仅是对私有节或保护节的修改。pimpl用法隐藏了这些细节，方法是将私有数据和函数放入一个单独的类中，并保存在一个实现文件中，然后在头文件中对这个类进行前向声明并保存一个指向该实现类的指针。类的构造函数分配这个pimpl类，而析构函数则释放它。这样可以消除头文件与实现细节的相关性。

\---------摘自《超越c++标准库——boost程序库导论》

*  **旧话重提：pImpl惯用手法的背后**     摘自 [pongba][] 的 Blog

pImpl惯用手法已经太老了，老得人们已经记不得它是什么时候被提出的了。像这么一个老得牙都掉了的东东几乎是肯定讲不出什么新意出来的。

本文也不例外，只不过，这里我们并不想提出什么新的创意，而是对pImpl背后的机制作一个探究和总结。

**城门失火 殃及池鱼**

pImpl惯用手法的运用方式大家都很清楚，其主要作用是解开类的使用接口和实现的耦合。如果不使用pImpl惯用手法，代码会像这样：

//c.hpp

\#include<x.hpp>

class C

public:

void f1();

private:

X x; //与X的强耦合

\};

像上面这样的代码，C与它的实现就是强耦合的，从语义上说，x成员数据是属于C的实现部分，不应该暴露给用户。从语言的本质上来说，在用户的代码中，每一次使用”new C”和”C c1”这样的语句，都会将X的大小硬编码到编译后的二进制代码段中（如果X有虚函数，则还不止这些）——这是因为，对于”new C”这样的语句，其实相当于operator new(sizeof(C) )后面再跟上C的构造函数，而”C c1”则是在当前栈上腾出sizeof(C)大小的空间，然后调用C的构造函数。因此，每次X类作了改动，使用c.hpp的源文件都必须重新编译一次，因为X的大小可能改变了。

在一个大型的项目中，这种耦合可能会对build时间产生相当大的影响。

pImpl惯用手法可以将这种耦合消除，使用pImpl惯用手法的代码像这样：

//c.hpp

class X;  //用前导声明取代include

class C

...

private:

X\* pImpl; //声明一个X\*的时候，class X不用完全定义

\};

在一个既定平台上，任何指针的大小都是相同的。之所以分为X\*，Y\*这些各种各样的指针，主要是提供一个高层的抽象语义，即该指针到底指向的是那个类的对象，并且，也给编译器一个指示，从而能够正确的对用户进行的操作（如调用X的成员函数）决议并检查。但是，如果从运行期的角度来说，每种指针都只不过是个32位的长整型（如果在64位机器上则是64位，根据当前硬件而定）。

正由于pImpl是个指针，所以这里X的二进制信息（sizeof(C)等）不会被耦合到C的使用接口上去，也就是说，当用户”new C”或”C c1”的时候，编译器生成的代码中不会掺杂X的任何信息，并且当用户使用C的时候，使用的是C的接口，也与X无关，从而X被这个指针彻底的与用户隔绝开来。只有C知道并能够操作pImpl成员指向的X对象。

**防火墙**

“修改X的定义会导致所有使用C的源文件重新编译”这种事就好比“城门失火，殃及池鱼”，其原因是“护城河”离“城门”太近了（耦合）。

pImpl惯用手法又被成为“编译期防火墙”，什么是“防火墙”，指针？不是。C++的编译模式为“分离式编译”，即不同的源文件是分开编译的。也就是说，不同的源文件之间有一道天然的防火墙，一个源文件“失火”并不会影响到另一个源文件。

但是，这里我们考虑的是头文件，如果头文件“失火”又当如何呢？头文件是不能直接编译的，它包含于源文件中，并作为源文件的一部分被一起编译。

这也就是说，如果源文件S.cpp使用了C.hpp，那么class C的（接口部分的）变动将无可避免的导致S.CPP的重新编译。但是作为class C的实现部分的class X却完全不应该导致S.cpp的重新编译。

因此，我们需要把class X隔绝在C.hpp之外。这样，每个使用class C的源文件都与class X隔离开来（与class X不在同一个编译单元）。但是，既然class C使用了class X的对象来作为它的实现部分，就无可避免的要“依赖”于class X。只不过，这个“依赖”应该被描述为：“class C的实现部分依赖于class X”，而不应该是“class C的用户使用接口部分依赖于class X”。

如果我们直接将X的对象写在class C的数据成员里面，则显而易见，使用class C的用户“看到”了不该“看到”的东西——class X——它们之间产生了耦合。然而，如果使用一个指向class X的指针，就可以将X的二进制信息“推”到class C的实现文件中去，在那里，我们\#include”x.hpp”，定义所有的成员函数，并依赖于X的实现，这都无所谓，因为C的实现本来就依赖于X，重要的是：此时class X的改动只会导致class C的实现文件重新编译，而用户使用class C的源文件则安然无恙！

指针在这里充当了一座桥。将依赖信息“推”到了另一个编译单元，与用户隔绝开来。而防火墙是C++编译器的固有属性。

**穿越C++编译期防火墙**

是什么穿越了C++编译期防火墙？是指针！使用指针的源文件“知道”指针所指的是什么对象，但是不必直接“看到”那个对象——它可能在另一个编译单元，是指针穿越了编译期防火墙，连接到了那个对象。

从某种意义上说，只要是代表地址的符号都能够穿越C++编译期防火墙，而代表结构(constructs)的符号则不能。

例如函数名，它指的是函数代码的始地址，所以，函数能够声明在一个编译单元，但定义在另一个编译单元，编译器会负责将它们连接起来。用户只要得到函数的声明就可以使用它。而类则不同，类名代表的是一个语言结构，使用类，必须知道类的定义，否则无法生成二进制代码。变量的符号实质上也是地址，但是使用变量一般需要变量的定义，而使用extern修饰符则可以将变量的定义置于另一个编译单元中。

以下是引自C++编程规范的内容来作一些补充

1、对象的指针最好是选择合适的智能指针

2、即使私有成员函数不能从类外及其他友元调用，它们也会参加名字查找 重载解析，因此会使调用无效或者存在二义性

如下面的例子：

int  fun(int);  //1

class Calc

public:

string fun(String);  //2

private:

char\* fun(char\*);  //3

int Test()

return fun(21);  //错误，2和3是无法独立存在的（1可以独立存在，但是不能考虑，因为它是隐藏的），解决：return ::fun(21);