C++ 设计篇之——pimpl 机制

C++ 设计篇之——PImpl 机制

源码仓库:https://github.com/yeshenyong/practice_cpp/tree/master/pimpl

什么是PImpl 机制

Pointer to implementation(PImpl ),通过将类的实现细节放在一个单独的类中,从其对象表示中删除它们,通过一个不透明的指针访问它们(cppreference 是这么说的

通过一个私有的成员指针,将指针所指向的类的内部实现数据进行隐藏

class Demo {
public:
	...
private:
	DemoImp* imp_;
}

为什么用PImpl 机制

个人拙见

  1. C++ 不像Java 后端型代码,能有行业定式的列目录名形成规范(controller、Dao等)
  2. 隐藏实现,降低耦合性和分离接口(隐藏类的具体实现)
  3. 通过编译期的封装(隐藏实现类的细节)

业界实现

  1. 优秀开源代码有实现

PImpl 实现

方法一

cook_cuisine.h

#pragma once

#include <unordered_map>
#include <vector>
#include <memory>

//  Pointer to impl ementation

class CookImpl;

// 后厨
class Cook {

public:
    Cook(int, const std::vector<std::string>&);
    ~Cook();
    std::vector<std::string> getMenu();     /* 获取菜单 */
    uint32_t getChefNum();                  /* 获取厨师数量 */

private:
    CookImpl* impl_;
};
typedef std::shared_ptr<Cook> CookPtr;		// 美妙的typedef 懒人工具

cook_cuisine.cc

#include "cook_cuisine.h"

class CookImpl {
public:
    CookImpl(uint32_t checf_num, const std::vector<std::string>& menu):checf_num_(checf_num), menu_(menu) {}
    std::vector<std::string> getMenu();
    uint32_t getChefNum();

private:
    uint32_t checf_num_;
    std::vector<std::string> menu_;
};

std::vector<std::string> CookImpl::getMenu() {
    return menu_;
}

uint32_t CookImpl::getChefNum() {
    return checf_num_;
}

Cook::Cook(int chef_num, const std::vector<std::string>& menu) {
    impl_ = new CookImpl(chef_num, menu);
}

Cook::~Cook() {
    delete impl_;
}

std::vector<std::string> Cook::getMenu() {
    return impl_->getMenu();
}

uint32_t Cook::getChefNum() {
    return impl_->getChefNum();
}
方法二

cook_cuisine.h

#pragma once

#include <unordered_map>
#include <vector>
#include <memory>

#include "cook_cuisine_imp.h"

// 后厨
class Cook {

public:
    Cook(int, const std::vector<std::string>&);
    ~Cook();
    std::vector<std::string> getMenu();     /* 获取菜单 */
    uint32_t getChefNum();                  /* 获取厨师数量 */

private:
    CookImplPtr impl_;
};
typedef std::shared_ptr<Cook> CookPtr;

cook_cuisine.cc

#include "cook_cuisine.h"

Cook::Cook(int chef_num, const std::vector<std::string>& menu) {
    impl_.reset(new CookImpl(chef_num, menu));
}

Cook::~Cook() {
    
}

std::vector<std::string> Cook::getMenu() {
    return impl_->getMenu();
}

uint32_t Cook::getChefNum() {
    return impl_->getChefNum();
}

cook_cuisine_imp.h

#pragma once

#include <vector>
#include <unordered_map>
#include <memory>


class CookImpl {
public:
    CookImpl(uint32_t checf_num, const std::vector<std::string>& menu):checf_num_(checf_num), menu_(menu) {}
    std::vector<std::string> getMenu();
    uint32_t getChefNum();

private:
    uint32_t checf_num_;
    std::vector<std::string> menu_;
};
typedef std::shared_ptr<CookImpl> CookImplPtr;

cook_cusine_imp.cc

#include "cook_cuisine_imp.h"

std::vector<std::string> CookImpl::getMenu() {
    return menu_;
}

uint32_t CookImpl::getChefNum() {
    return checf_num_;
}

main.cc

#include "cook_cuisine.h"
#include <iostream>


using namespace std;    // Testing, 平时开发可千万别用这句

int main() {
    int checf_num = 10;
    const std::vector<std::string> menus = { "Chicken", "Beef", "Noodle", "Milk" };
    CookPtr cook(new Cook(checf_num, menus));

    auto cook_menu = cook->getMenu();
    auto cook_checf_num = cook->getChefNum();

    cout << "======================Chinese Cook======================\n";

    cout << "============Checf: " << cook_checf_num << " people\n";

    cout << "==========Menu\n";

    for (size_t i = 0; i < cook_menu.size(); i++) {
        cout << "============" << i + 1 << " : " << cook_menu[i] << "\n";
    }

    return 0;
}

CMakeLists.txt

mkdir build
cd build
cmake ..

PImpl 缺点

  1. 空间开销:每个类都需要额外的指针内存指向实现类
  2. 时间开销:每个类间接访问实现的时候多一个间接指针操作的开销
  3. 阅读开销:使用、阅读和调试上带来一些不便(不是啥问题)

总结

每种设计方法都有它的优点和缺点

PImpl 用一些内存空间和额外类的实现换取耦合性的下降,是可以接受的

但重点在:在性能/内存要求不敏感处,PImpl 技术才更优不错的发挥舞台

极端例子:

你不可能在斐波那契的实现中还加个PImpl 机制,多此一举

### 解决C语言头文件之间循环依赖问题 #### 使用前置声明减少依赖 当两个或多个类相互引用时,可以利用前置声明来代替完整的`#include`指令。这减少了编译器解析整个头文件的需求,从而避免了潜在的循环依赖。 ```cpp // File: A.h #ifndef A_H_ #define A_H_ class B; // 前置声明而非#include "B.h" class A { public: void setFriend(B* b); private: B* friend_; }; #endif /* A_H_ */ ``` 通过这种方式,只要不是立即需要访问到另一个类的具体实现细节(比如成员变量),就可以推迟包含其定义的时间点[^4]。 #### 避免不必要的全局包含 只在确实必要的地方引入其他模块的头文件。如果某个源文件只需要知道特定类型的签名而不是具体结构,则应仅做前置声明而不直接包含相应的`.h`文件。这样做不仅有助于防止间接引起的循环依赖,还能加快编译速度并提高代码可维护性[^5]。 #### 利用Pimpl惯用法隐藏内部数据 对于复杂的对象模型来说,采用Pointer to Implementation (pImpl)模式能够有效隔离公共接口与其私有部分之间的联系。这意味着即使是在不同层次上的互依关系也可以得到妥善处理: ```cpp // Public interface exposed via header file. class Widget { public: explicit Widget(int param); ~Widget(); void draw(); private: class Impl; std::unique_ptr<Impl> p_impl_; // Pointer-to-implementation pattern applied here. }; ``` 这里的关键在于将所有敏感信息封装在一个独立于外部世界的辅助类内,并通过智能指针管理该实例的生命期。如此一来,即便存在双向关联也不会影响整体架构稳定性[^1]。 #### 运用条件编译保护机制 为了进一步增强系统的健壮性和灵活性,建议始终为每一个头文件配备一对预处理器指令——即`#ifndef/#define/#endif`三元组。这种做法能确保同一份内容不会被重复加载多次,进而规避因多重包含而导致的各种异常状况发生[^2]。 ```cpp // Standard include guard practice shown below. #ifndef MY_HEADER_GUARD_NAME #define MY_HEADER_GUARD_NAME // Header content goes here... #endif // End of include guards ``` 此外,现代C++还支持更简洁的形式如`#pragma once`,它同样能达到相同的效果但更加直观易懂。
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