【C++程序设计技巧】NVI（Non-Virtual Interface ）

在C++的程序设计中有一些设计开发的典型技巧需要整理讨论，在此抛砖引玉，为自己做积累，请高人也多多指教。

1.简介

在标准C++库中我们可以看到这样的一个现象：

6个公有虚函数，并且都是std::exception::what()和其重载。

142个非公有虚函数。

这样设计的目的何在呢，为什么“多此一举”的把虚函数设置为非公有呢？

这就是NVI机制要求的：将虚函数声明为非公有，而将公有函数都声明为非虚——虚拟和公有选其一。

2.机制分析

程序员常常将基类中的虚函数公有化，来提供一个接口的定义（virtual的功劳）同时提供其实现（具体的一个实现）。

class Base{
 public:
     virtual void Foo(int){
         cout<< "Base's Foo!" << endl;
     };
};

问题就出在“同时”——一个定义了接口的形式，一个定义了默认的一个实现，显然这样的设计没有将接口定义和实现分来。在这个时候，我们可以使用模板方法模式的思想：

 

  
class Base{
 public:
     void Foo(){
         DoFoo1();
         DoFoo2();
     }//use DoFooX()
 private:
     virtual void DoFoo1(){
         cout << "Base's DoFoo1" <<endl;
     }
     virtual void DoFoo2(){
         cout << "Base's DoFoo2" <<endl;
     }
 };
 
class Derived: public Base{
 private:
     virtual void DoFoo1(){
         cout << "Derived's DoFoo1" << endl;
     };
};


 

函数Foo定义了接口的形式，而DoFooX()函数则实现了对Foo函数的行为定制，实现了接口定义和实现的分离，我们举一个例子来说明好处：如果我们希望在Foo中做一下CS（Critical Section）的加锁解锁控制：

若我们完成这样的接口与实现分离，那么我们的实现是在基类的接口处添加所需流程即可，子类不需要修改：

 

  
class Base{
 public:
     void Foo(){
         cout << "Locking" << endl;
         DoFoo1();
         DoFoo2();
         cout << "Unlocking" << endl;
     }//use DoFooX()
 private:
     virtual void DoFoo1(){
         cout << "Base's DoFoo1" <<endl;
     }
     virtual void DoFoo2(){
         cout << "Base's DoFoo2" <<endl;
     }
 
 };
 
 class Derived: public Base{
 private:
     virtual void DoFoo1(){
         cout << "Derived's DoFoo1" << endl;
     };
 };


 

若不实现接口与实现分离，则从基类到子类都需要修改：

 

  
class Base{
 public:
     virtual void Foo(){
         cout << "Locking" << endl;
         cout << "Base's Foo" << endl;
         cout << "Unlocking" << endl;
     }
 };
 
 class Derived: public Base{
 public:
     virtual void Foo(){
         cout << "Locking" << endl;
         cout << "Derived's Foo" << endl;
         cout << "Unlocking" << endl;
     };
 };


 

注意，当且仅当子类需要调用基类的虚函数时才将虚函数设置为protected（否则没有权限），并且NVI机制不适用于析构函数，对于析构函数，如果设为公有则应该设置为虚拟（在允许多态删除的基类中），否则设置为私有或者protected的非虚拟形式（不含多态删除的基类中）。

带来的风险：

首先是FBC问题（Fragile Base Class ），下边是一个例子：

class Set {
    std::set<int> s_;
  public:
    void add (int i) {
      s_.insert (i);
      add_impl (i); // Note virtual call.
    }
    void addAll (int * begin, int * end) {
      s_.insert (begin, end);   //  --------- (1)
      addAll_impl (begin, end); // Note virtual call.
    }
  private:
    virtual void add_impl (int i) = 0;
    virtual void addAll_impl (int * begin, int * end) = 0;
};
class CountingSet : public Set {
  private:
    int count_;
    virtual void add_impl (int i) {
      count_++;
    }
    virtual void addAll_impl (int * begin, int * end) {
      count_ += std::distance(begin,end);
    }
};

如果此时我们在父类中修改了addAll函数，改为将从begin到end的数字都调用一遍add函数，那么，子类的功能就紊乱了——子类计数就会多记录一倍（因为在子类中，add_impl每次都会计数一个，并且addAll_impl也会整体计数一次）。所以，为了防止出现FBC，一般一个公有非虚函数调用一个私有虚函数。

其次是性能上的考虑，毕竟多了一层函数调用。对此，参考文献2指出：“a word about efficiency: No, none is lost in practice because if the public function is a one-line passthrough declared inline, all compilers I know of will optimize it away entirely, leaving no overhead. (Indeed, some compilers will always make such a function inline and eliminate it, whether you personally really wanted it to or not, but that’s another story.)”