PImpl

2023-03-18 约 2749 字预计阅读 6 分钟次阅读

C++ PImpl

PImpl惯用法

PImpl术语，即"pointer to implementation" （指向实现的指针），由Jeff Summer最先引入。

该技巧可以避免在头文件中暴露私有细节，是促进API接口和实现保持完全分离的重要机制

PImpl并不是严格意义上的设计模式，而是桥模式的一种特例

在本人博客中有介绍《设计模式-桥模式》

如下图，Class A只提供公有接口Function1，Function2，其实现细节由Impl类实现，Class A通过一格Impl指针来提供服务，这样做的目的在于，使用Class A公有接口的用户，不必关系其实现细节，而且实现的变动，对用户也是透明的

注：- : private, + : public, # : protected

特点：该技巧在公有接口中完全隐藏内部细节。支持将私有成员数据和方法，从.h转移到.cpp文件。是构建接口和实现恰当分离的API的不可或缺的工具

使用PImpl

PImpl将类的数据成员定义为指向某个已经声明过的类型的指针，如上面的例子中的impl。这里类型仅作为名字引入，没有被完整定义，只需要前向声明即可，隐藏可以将该类型定义隐藏在.cpp文件中。该指针也称为不透明指针，因为用户无法看到所指对象细节

示例：“自动定时器（AutoTimer）API，对象被销毁时打印出生存时间”

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// autotimer.h
#ifdef _WIN32
#include <windows.h>
#else
#include <sys/time.h>
#endif
#include <string>

class AutoTimer
{
public:
    /// 使用易于理解的名字创建新定时器
    explicit AutoTimer(const std::string& name);
    ~AutoTimer();

private:
    // 返回对象已经存在了多长时间
    double GetElapsed() const;

    std::string name_;
#ifdef _WIN32
    DWORD startTime_;
#else
    struct timeval startTime_;
#endif
};

该API的问题：暴露了定时器在不同平台上存储的底层细节，任何人都可以从头文件看到这些平台的定义

可取之处：仅将必要的方法暴露为public方法（构造函数、析构函数），其余方法、数据标记为private

由于C++语言特性，要求这些private成员都声明在公有头文件中，导致API包含平台相关#if指令。而设计者的真正目的是将所有private成员隐藏在.cpp文件中

PImpl惯用法将所有private成员放在一个class/struct中，这个类在头文件中仅做前置声明，在.cpp中定义。可以像下面这样，利用pimpl重构前面的头文件

autotimer.h

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#include <string>
class AutoTimer // 接口类
{
public:
    explicit AutoTimer(const std::string &name);
    ~AutoTimer();

private:
    class Impl; // 前置声明
    Impl *impl; // 通过私有内嵌类, 将实现细节封装到内嵌类中
};

autotimer.cpp

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// autotimer.cpp
#include "autotimer.h"
#include <iostream>
#if _WIN32
#include <windows.h>
#else
#include <sys/time.h>
#endif

class AutoTimer::Impl // 实现类
{
public:
    double GetElapsed() const
    {
#ifdef _WIN32
        return (GetTickCount() - startTime_) / 1e3;
#else
        struct timeval end_time;
        gettimeofday(&end_time, NULL);
        double t1 = startTime_.tv_usec / 1e6 + startTime_.tv_sec;
        double t2 = end_time.tv_usec / 1e6 + end_time.tv_sec;
        return t2 - t1;
#endif
    }

    std::string name_;
#ifdef _WIN32
     DWORD starTime_;
#else
    struct timeval startTime_;
#endif
};

AutoTimer::AutoTimer(const std::string &name) :
    impl_(new AutoTimer::Impl())
{
    impl_->name_ = name;
#ifdef _WIN32
    imp_->startTime_ = GetTickCount();
#else
    gettimeofday(&impl_->startTime, NULL);
#endif
}

AutoTimer::~AutoTimer()
{
    std::cout << impl_->name_ << ": took " << impl_->GetElapsed()
        << " secs" << std::endl;
    delete impl_;
    impl_ = NULL;
}

这样，将原本暴露在原有头文件中的所有private方法和数据，转移到了.cpp文件中定义的AutoTimer::Impl类中

将Impl类（实现类）声明为AutoTimer类的private内嵌类，是为了避免与该实现相关的符号污染全局命名空间，只有AutoTimer的方法才能访问Impl成员

在Impl类中放哪些逻辑？接口类中有哪些部分，需要放到Impl类中？

通常，有以下选择

仅private成员变量
private成员变量和方法
所有public方法。接口类中public方法只是对Impl类中等价方法进行简单包装

推荐第2项，将priavet变量和方法都放到Impl类中，这样可以保持数据和操作这些数据的方法的封装性，从而避免在public头文件中声明private方法。不过，有2项需要注意

不能在impl类中隐藏private虚方法。virtual方法必须出现在接口类中，以保证任何派生类都能覆盖它
虽然可以将接口类传递给Impl类的方法，但必要时，可以在Impl类中增加指回接口类的指针，便于Impl类调用公有方法

复制语义

复制使用PImpl惯用法的接口类，存在潜在风险

当没有为类显式定义copy构造函数、assignment运算符（operator=）时，C++编译器会默认创建（trivial版本）。但这种trivail版本的copy构造函数、assigment运算符，只能执行浅复制。显然不利于使用PImpl惯用法，因为如果客户复制了接口类对象，那么2个对象就会指向同一个Impl实现类对象，析构时，就会删除同一个Impl对象2次，从而可能导致程序崩溃

*针对该问题，有2种可选方案：

禁止复制类
- 如果不打算让用户创建接口类对象副本，可以将对象声明为不可复制。禁止编译器生成默认copy函数，有以下几种方法：
  - 将方法设为private，禁止客户调用
  - 如果使用Boost库，可以让接口类继承自boost::noncopyable
  - C++11以后，可以将方法声明为"=delete"
显式定义复制语义
- 如果希望客户能复制采用PImpl的对象，就应该声明并定义自己的copy构造函数、assignment运算符，进行对象的深拷贝，创建Impl对象的副本

下面展示如何使得接口类AutoTimer禁止拷贝

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#include <string>
// 方式1
class AutoTimer
{
public:
    explicit AutoTimer(const std::string &name);
    ~AutoTimer();

private:
    // 使对象不可复制
    AutoTimer(const AutoTimer&);
    const AutoTimer& operator=(const AutoTimer&);

    class Impl;
    Impl *impl_;
};

// 方式2
class AutoTimer : boost::noncopyable // 使对象不可复制
{
public:
    explicit AutoTimer(const std::string &name);
    ~AutoTimer();

private:
    class Impl;
    Impl *impl_;
};

// 方式3
class AutoTimer : boost::noncopyable
{
public:
    explicit AutoTimer(const std::string &name);
    ~AutoTimer();

private:
    // 使对象不可复制
    AutoTimer(const AutoTimer&) = delete;
    const AutoTimer& operator=(const AutoTimer&)= delete;

    class Impl;
    Impl *impl_;
};

PImpl与智能指针

详情可以看《Effective Modern c++ 条款22》

PImpl优点

信息隐藏
- 实现细节可以隐藏到Impl类实现中，保护闭源API专有性。同时，接口头文件也能更干净、清晰表达真正的公有接口，易于阅读和理解
降低耦合
- 接口类只用知道Impl类即可，不用包含私有成员变量所需头文件，也不必包含平台依赖的windows.h或sys/time.h。
加速编译
- 将实现相关头文件移入.cpp，API的引用层次降低，会导致编译时间减少。
更好的二进制兼容性
- 采用PImpl的对象大小从不改变，因为对象总是单个指针大小。对私有成员变量做任何修改，都只影响隐藏在cpp文件内的实现类大小。而对象的二进制表示可以不变
惰性分配
- Impl类可以在需要时再构造，而不必在接口类构造时立即构造。

PImpl缺点

必须为你创建的每个对象分配并释放实现对象。这使得对象增加了一个指针（Impl impl），同时增加了通过指针访问成员的开销，增加了new和delete对象的开销*
必须通过impl->的形式访问私有成员，给开发人员带来了不便。
编译器不能捕获接口类中const对成员变量修改。因为成员变量现在存在于独立的对象（impl指针所指对象）中。编译器仅检查impl指针是否发生变化，而不会检查其成员。

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