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C++接口文件小技巧之PIMPL詳解

更新時間：2023年06月18日 08:35:08 作者：Zijian/TENG

C++ 里面有一些慣用法（idioms），如 RAII，PIMPL，copy-swap、CRTP、SFINAE 等，今天要說的是 PIMPL，即 Pointer To Implementation，指向?qū)崿F(xiàn)的指針，感興趣的可以了解一下

問題描述

在實(shí)際的項(xiàng)目中，經(jīng)常需要定義和第三方/供應(yīng)商的 C++ 接口。假如有這樣一個接口：

#include <string>
#include <list>
#include "dds.h"

class MyInterface {
   public:
    int publicApi1();
    int publicApi2();

   private:
    int privateMethod1();
    int privateMethod2();
    int privateMethod3();

   private:
    std::string name_;
    std::list<int> list_;
    DDSDomainPariciant dp_;
    DDSTopic topic_;
    DDSDataWriter dw_;
};

該接口頭文件存在以下問題：

1.暴露了 MyInterface 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

所有的 private/protected 的方法、成員變量都暴露給接口的使用者

2.由此帶來的另一個問題是接口不穩(wěn)定。比如我們修改類的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，即使不改變 public 接口，接口的使用者也需要跟著更新頭文件：

比如 list_ 成員之前用的是 std::list 容器，現(xiàn)在打算改用 std::vector 容器
再比如，之前有 3 個 private 方法，現(xiàn)在重構(gòu)實(shí)現(xiàn)部分，拆成更多的小函數(shù)

3.增加了使用者的依賴。

接口的使用者想要使用上述頭文件，必須要 #include "dds.h" 這個文件，而 "dds.h" 通常又會 #include 很多其他文件。最終的結(jié)果往往是要向接口的使用者提供很多額外的頭文件。如果將來重構(gòu)，不用 DDS，改用 SOME/IP 或其他中間件，接口的使用者也要跟著改變。不僅如此，為 private 成員而額外 #include 的頭文件也會增加編譯時間

解決方案 —— PIMPL

PIMPL 就是 C++ 里專門用來解決這些問題的慣用法。PIMPL 將 MyInterface 類的具體實(shí)現(xiàn)（private/protected 方法、成員）轉(zhuǎn)移到另外一個嵌套類 Impl 中，然后利用前向聲明（forward declaration）聲明 Impl，并在原有的 MyInterface 接口類中增加一個指向 Impl 對象的指針。再次強(qiáng)調(diào)，在 MyInterface 中的 Impl 僅僅是一個前向聲明，MyInterface 類只知道有 Impl 這么個類，但是對 Impl 有哪些方法、哪些成員變量一無所知，因此能做的事情非常有限（聲明一個指向該類的指針就是其中之一）。而這恰恰就是 PIMPL 將接口和實(shí)現(xiàn)解耦的關(guān)鍵所在。

應(yīng)用 PIMPL 后的 MyInterface.h 文件：

class MyInterface {
   public:
    MyInterface();
    ~MyInterface();
    int publicApi1();
    int publicApi2();
   private:
    struct Impl;
    Impl* impl_;
};

現(xiàn)在 MyInterface.h 接口文件變得非常清爽，看不到任何 private/protected 的方法和成員變量，也不需要 #include 任何和 private 成員相關(guān)的頭文件，隱藏實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，降低使用者的依賴，提高接口穩(wěn)定性。

MyInterface.cpp

#include <string>
#include <list>
#include "dds.h"
struct MyInterface::Impl {
    int publicApi1();
    int publicApi2(int i);
    int privateMethod1();
    int privateMethod2();
    int privateMethod3();
    std::string name_;
    std::list<int> list_;
    DDSDomainPariciant dp_;
    DDSTopic topic_;
    DDSDataWriter dw_;
};
MyInterface::MyInterface() 
    : pimpl_(new Impl()) {}
MyInterface::~MyInterface() {
    delete pimpl_;
}
int MyInterface::publicApi1() {
    impl_->publicApi1();
}
int MyInterface::publicApi2(int i) {
    impl_->publicApi2(i);
}
// 其他 MyInterface::Impl 類的方法實(shí)現(xiàn)
// 原本 MyInterface 中的邏輯挪到 MyInterface::Impl 中
int MyInterface::Impl::publicApi1() {...}

可以看到，MyInterface 類的實(shí)現(xiàn)本身只是單純地將請求委托/轉(zhuǎn)發(fā)給 MyInterface::Impl 的同名方法。對于參數(shù)的傳遞，也可以適當(dāng)使用 std::move 提升效率（關(guān)于 std::move 今后也可以展開說說）。

也可以把嵌套類 MyInterface::Impl 放到單獨(dú) MyInterfaceImpl.h/cpp 中，如此一來 MyInterface.cpp 就會變得非常簡潔，就像下面這樣：

MyInterface.cpp

#include "MyInterface.h"
#include "MyInterfaceImpl.h"
MyInterface::MyInterface() 
    : pimpl_(new Impl()) {}
MyInterface::~MyInterface() {
    delete pimpl_;
}
int MyInterface::publicApi1() {
    return impl_->publicApi1();
}
int MyInterface::publicApi2(int i) {
    return impl_->publicApi2(i);
}

MyInterfaceImpl.h

#include <string>
#include <list>
#include "dds.h"
struct MyInterface::Impl {
    int publicApi1();
    int publicApi2(int i);
    int privateMethod1();
    int privateMethod2();
    int privateMethod3();
    std::string name_;
    std::list<int> list_;
    DDSDomainPariciant dp_;
    DDSTopic topic_;
    DDSDataWriter dw_;
};

MyInterfaceImpl.cpp

#include "MyInterfaceImpl.h"
int MyInterface::Impl::publicApi1() {
    // ...
}
// 其他 MyInterface::Impl 類的方法定義

注意不要在 MyInterface.h 中 #include "MyInterfaceImpl.h"，否則就前功盡棄了。

現(xiàn)代 C++ 中的 PIMPL

以上是傳統(tǒng) C++ 中的 PIMPL 的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)代 C++ 應(yīng)盡量避免使用裸指針，而使用智能指針。具體的原因見文末補(bǔ)充內(nèi)容。

Impl 對象的所有權(quán)應(yīng)該是 MyInterface 獨(dú)有，unique_ptr 是合情合理的選擇。如果直接將上述的裸指針替換成 unique_ptr

#include <memory>
class MyInterface {
   public:
    MyInterface();
    int publicApi1();
    int publicApi2();
   private:
    struct Impl;
    std::unique_ptr<Impl> impl_;
};
// main.cpp
int main() {
    MyInterface if;
}

gcc 下會看到這樣的報(bào)錯：

/opt/compiler-explorer/gcc-13.1.0/include/c++/13.1.0/bits/unique_ptr.h: In instantiation of 'constexpr void std::default_delete<_Tp>::operator()(_Tp*) const [with _Tp = MyInterface::Impl]':
/opt/compiler-explorer/gcc-13.1.0/include/c++/13.1.0/bits/unique_ptr.h:404:17: required from 'constexpr std::unique_ptr<_Tp, _Dp>::~unique_ptr() [with _Tp = MyInterface::Impl; _Dp = std::default_delete<MyInterface::Impl>]'
<source>:118:7: required from here
/opt/compiler-explorer/gcc-13.1.0/include/c++/13.1.0/bits/unique_ptr.h:97:23: error: invalid application of 'sizeof' to incomplete type 'MyInterface::Impl'
97 | static_assert(sizeof(_Tp)>0,
| ^~~~~~~~~~~

揭曉答案前，先思考一下，問題出在哪里。

問題出在 MyInterface 的析構(gòu)函數(shù)。在沒有顯式聲明析構(gòu)函數(shù)的情況下，編譯器會默認(rèn)合成一個隱式內(nèi)聯(lián)的析構(gòu)函數(shù)（編譯器在什么條件下，自動合成哪些函數(shù)也有不少學(xué)問，后面會單獨(dú)發(fā)一篇），即等效如下代碼：

class MyInterface {
   public:
    int publicApi1();
    int publicApi2();
    ~MyInterface(){} // 是實(shí)現(xiàn)，不是聲明！
   private:
    struct Impl;
    std::unique_ptr<Impl> impl_;
};

在 MyInterface.h 中，編譯器會自動合成 MyInterface 的析構(gòu)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)（而非聲明），在這個析構(gòu)函數(shù)實(shí)現(xiàn)里，會進(jìn)行以下操作：

執(zhí)行空的析構(gòu)函數(shù)體
按照構(gòu)造的相反順序，依次銷毀 MyInterface 的成員
銷毀 unique_ptr impl_ 成員
調(diào)用 unique_ptr 的析構(gòu)函數(shù)
unique_ptr 的析構(gòu)函數(shù)調(diào)用默認(rèn)的刪除器（delete），刪除指向的 Impl 對象

我們所看到報(bào)錯，就出在第 5 步。unique_ptr 的實(shí)現(xiàn)代碼在刪除前，會進(jìn)行 static_assert(sizeof(_Tp)>0 斷言，而編譯器執(zhí)行該斷言的時候，Impl 還是一個不完整類型（Incomplete Type）。因?yàn)榫幾g器此時只看到了 MyInterface::Impl 的前向聲明，還沒有看到定義，不知道 Impl 有哪些成員，也不知 Impl 類占用多大內(nèi)存，所以在進(jìn)行 sizeof(Impl) 的時候報(bào)錯。

知道了背后的原理，解決起來也很簡單，就是保證在 MyInterface 析構(gòu)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的地方，能看到 Impl 類的定義即可：

MyInterface.h

#include <memory>
class MyInterface {
   public:
    int publicApi1();
    int publicApi2();
    MyInterface();
    ~MyInterface();  // 使用 unique_ptr 的關(guān)鍵：只聲明，不實(shí)現(xiàn)！
   private:
    struct Impl;
    std::unique_ptr<Impl> impl_;
};

MyInterface.cpp

#include <memory>
#include "MyInterface.h"
#include "MyInterfaceImpl.h"
MyInterface::MyInterface()
    : pImpl_(std::make_unique<Impl>()) {}
MyInterface::~MyInterface() = default;
int MyInterface::publicApi1() {
    return impl_->publicApi1();
}
int MyInterface::publicApi2(int i) {
    return impl_->publicApi2(i);
}

這樣，一個正確的 PIMPL 就搞定啦！雖然 PIMPL 多了一層封裝，稍微增加了一點(diǎn)點(diǎn)復(fù)雜度，但我認(rèn)為這么做是絕對的利大于弊。以一個我曾參與的項(xiàng)目為例，在將近一年的時間里，實(shí)現(xiàn)庫更新了很多版，但是接口文件從釋放以來一直沒變過，大大減少了和第三方/供應(yīng)商的溝通、調(diào)試成本。

最后，留一個思考題：為什么將 unique_ptr 換成 shared_ptr 不會遇到上面的 static_assert(sizeof(_Tp)>0 編譯錯誤？如果你能解釋其中的原因，那說明你對 shared_ptr、unique_ptr 的理解相當(dāng)深入了