C++学习笔记之pimpl用法详解

前言

　　本文主要给大家介绍了关于C++中pimpl用法的相关内容，分享出来供大家参考学习，下面话不多说了，来一起看看详细的介绍：

　　C++的pImpl可以说是最常见的惯用手法了，在很多的C++项目和C++开发库中都有所见。plmp的缩写就是Pointer to Implementor，顾名思义就是将真正的实现细节的Implementor从类定义的头文件中分离出去，公有类通过一个私有指针指向隐藏的实现类，是促进接口和实现分离的重要机制。

　　在C++语言中，要定义某个类型的变量或者使用类型的某个成员，就必须知道这个类的完整定义，其例外情况是：如果定义这个类型的指针，或者该类型是函数的参数或者返回类型(即使是传值类型的)，那么就可以通过前置声明引入这个类型的名字，而不需要提供暴露其完整的类型定义，从而类型的完整定义可以被隐藏在其他hpp头文件或者cpp实现文件中，而这个指针也被称为不透明指针(opaque pointer)。通常的pImp的手法是在API的头文件中提供接口类的定义以及实现类的前置声明，实现类的本身定义和成员函数的实现都隐藏在cpp文件中去，同时为了避免实现类的符号污染外部名字空间，实现类大多作为接口类的内部嵌套类的形式。

一、pImpl手法的优势和目的

1.1 信息隐蔽

　　私有成员完全可以隐藏在共有接口之外，尤其对于闭源API的设计尤其的适合。同时，很多代码会应用平台依赖相关的宏控制，这些琐碎的东西也完全可以隐藏在实现类当中，给用户一个间接明了的使用接口再好不过了。

1.2 加速编译

　　这通常是用pImpl手法的最重要的收益，称之为编译防火墙(compilation firewall)，主要是阻断了类的实现和类的实现两者的编译依赖性。这样，类用户不需要额外include不必要的头文件，同时实现类的成员可以随意变更，而公有类的使用者不需要重新编译。

1.3 更好的二进制兼容性

　　承接上面说的，通常对一个类的修改，会影响到类的大小、对象的表示和布局等信息，那么任何该类的用户都需要重新编译才行。而且即使更新的是外部不可访问的private部分，虽然从访问性来说此时只有类成员和友元能否访问类的私有部分，但是由于C++的特性是名字查找先于名字查找和重载解析的(即使不可访问也会返回调用失败，而不是视而不见)，私有部分的修改也会影响到类使用者的行为，这也迫使类的使用者需要重新编译。而对于使用pImpl手法，如果实现变更被限制在实现类中，那公有类只持有一个实现类的指针，所以实现做出重大变更的情况下，pImpl也能够保证良好的二进制兼容性。

　　因此，独立和自由是pImpl的精髓所在。

1.4 惰性分配

　　实现类可以做到按需分配或者实际使用时候再分配，从而节省资源提高响应。如果你意识到这点了，那是很不错的。

二、公有类和实现类的隔离程度

　　由于公有类是实现类的抽象，实现类是公有类的封装隐藏，推荐的隔离方式是：将所有非virtual的private成员都放置到impl中去，同时将private成员函数需要调用的公有函数也放置到impl中去，virtual函数和protected的成员不应当放到impl中去。

　　protected的成员放到impl中没有任何的意义，因为protected是相对于继承关系而生效的；同样的，virtual成员也不应该放到impl中去，因为virtual函数需要被继承链中的派生类去override。这里需要提到，virtual函数也可以是private的，函数的virtual和access两者是正交毫无关联的，即使派生类无法访问基类的虚函数，但是派生类仍然可以override基类的虚函数！这引出了一个Template Method的设计模式。

　　将private函数需要调用到的public方法也放到impl中去，是为了避免下面所描述的back pointer带来开销的妥协。当然，还有一种极端的方式是除此以外将所有的public成员都丢到impl中去，那么公有类就相当于一个接口类，进而所有接口都需要一个wrapper进行调用的转发，此时公有类会实现的比较无趣和杂乱，而且无法被继承复用。

三、pImpl实现需要注意事项

3.1 资源管理

　　尽可能避免的使用原始指针来创建和delete释放实现类对象，使用boost::scoped_ptr或者std::unique_ptr来管理实现类对象，而且如果确实需要实现类共享，可以使用boost::shared_ptr来管理。同时scoped_ptr、unique_ptr实现上要比shared_ptr高效的多。

　　如果使用智能指针管理实现类对象的话，使用unique_ptr则需要手动在实现文件中定义共有类的析构函数，这是因为虽然unique_ptr和shared_ptr都可以在类型不完全的情况下定义其智能指针，但是unique_ptr其析构函数则需要具有持有类型的完全定义，而shared_ptr比较智能则没有这个限制。

3.2 拷贝语义

　　pImpl最需要关注的就是共有类的复制语义，因为实现类是以指针的方式作为共有类的一个成员，而默认C++生成的拷贝操作只会执行对象的浅复制，这显然违背了pImpl的原本意图，除非是真的想要底层共享一个实现对象。针对这个问题，解决方式有：

　　a. 禁止复制操作，将所有的复制操作定义为private的，或者继承boost::noncopyable，或者在新标准中将这些复制操作定义为delete的即刻；

　　b. 显式定义复制语义，创建新的实现类对象，执行深度复制操作。此处需要记住0-3-5法则哦，要么不定义拷贝、移动操作符，要定义就需要将他们全部重新定义。

3.3 impl对公有类的反向引用

　　实现类中的私有成员如果需要访问公有类的公共、保护的成员，就必须要能够引用到公有类对象，实现其手段有：

　　a. impl持有一个对公有类对象的指针或者引用。虽然方便但是往往会有问题：如果持有的是引用，则拷贝赋值就难以实现，如果持有的是指针，则需要小心指针有效性的同步负担(比如移动操作)。

　　b. 推荐的方式，是impl中的这些函数都增加一个对公有类的引用或者指针，那么其调用方法类似于：

pimpl->func(this, params);

3.4 pImpl手法的缺点：

　　a. 该手法需要在调用和实现之间插入了一个指针，公有类在访问私有成员的时候都需要增加mImpl->前缀的方式，使用、阅读和调试都可能有所不便；

　　b. pImpl对拷贝操作比较敏感，要么你禁止拷贝操作，要么就需要自定义拷贝操作；

　　c. 编译器将不再能够捕获const方法中对成员变量的修改，因为私有成员变量已经从公有类脱离到了实现类当中了，公有类的const只能保护指针值本身是否改变，而不再能进一步保护其所指向的数据。如果要达到类似的保护效果，可以使用std::experimental::propagate_const技术。

　　pImpl是一个很重要、实用的编程技巧，强烈建议掌握之！

总结