🍎Pimpl设计模式|编译防火墙

PIMPL模式引入

PIMPL模式引入 Pimpl（pointer to implementation，指向实现的指针）是一种常用的，用来对“类的接口与实现”进行解耦的方法。这个技巧可以避免在头文件中暴露私有细节，因此是促进API接口与实现保持完全分离的重要机制。但是Pimpl并不是严格意义上的设计模式（它是受制于C++特定限制的变通方案），这种惯用法可以看作桥接设计模式的一种特例。

Pimpl模式的好处

  1. 信息隐藏：通过将实现细节移到Impl类中，接口类的头文件不再暴露任何实现细节，从而实现了信息隐藏。

  2. 减少编译依赖：因为实现细节完全隐藏在实现文件中，接口头文件的更改不会导致依赖它的代码重新编译，从而减少了编译时间。

  3. 二进制兼容性：由于接口类的大小和布局保持不变，改动实现类的细节不会影响使用接口类的二进制文件，这有利于库的升级和维护。

  4. 更好的模块化：将实现细节与接口分离，可以更好地模块化代码，增强代码的可维护性和可读性。

Pimpl模式的实现

示例代码：未使用Pimpl模式

假设我们有一个Widget类，其实现如下：

// Widget.h
#ifndef WIDGET_H
#define WIDGET_H

#include <string>
#include <vector>

class Widget {
public:
    Widget();
    ~Widget();

    void doSomething();
    void addValue(int value);

private:
    std::string name;
    std::vector<int> values;
};

#endif // WIDGET_H

// Widget.cpp
#include "Widget.h"
#include <iostream>

Widget::Widget() : name("default") {}

Widget::~Widget() {}

void Widget::doSomething() {
    std::cout << "Widget name: " << name << std::endl;
    for (int value : values) {
        std::cout << "Value: " << value << std::endl;
    }
}

void Widget::addValue(int value) {
    values.push_back(value);
}

在这个实现中，Widget类的实现细节（name和values成员）暴露在头文件中，导致头文件的更改会影响所有包含它的文件。

  • 头文件（.h或.hpp文件）通常包含类的声明、函数原型、宏定义等。头文件的变化会影响所有包含它的源文件，主要原因是：当一个源文件包含一个头文件时，编译器会将头文件的内容插入到源文件中。如果头文件中的内容发生变化，所有包含该头文件的源文件都需要重新编译，以确保生成的目标文件与新的头文件内容一致。

  • 源文件（.cpp或.cc文件）包含类或函数的具体实现。源文件的变化通常只需要重新编译自身，而不会影响其他源文件的编译，除非其他源文件依赖于修改后的源文件的编译结果。

示例代码：使用Pimpl模式

我们将改造Widget类，使其采用Pimpl模式：

// Widget.h
#ifndef WIDGET_H
#define WIDGET_H

#include <memory>

class Widget {
public:
    Widget();
    ~Widget();

    void doSomething();
    void addValue(int value);

private:
    class Impl;                // 前向声明实现类
    std::unique_ptr<Impl> pImpl; // 使用unique_ptr管理实现类
};

#endif // WIDGET_H

// Widget.cpp
#include "Widget.h"
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>

// 实现类的定义
class Widget::Impl {
public:
    Impl() : name("default") {}
    ~Impl() {}

    void doSomething() {
        std::cout << "Widget name: " << name << std::endl;
        for (int value : values) {
            std::cout << "Value: " << value << std::endl;
        }
    }

    void addValue(int value) {
        values.push_back(value);
    }

private:
    std::string name;
    std::vector<int> values;
};

// Widget成员函数的定义
Widget::Widget() : pImpl(std::make_unique<Impl>()) {}

Widget::~Widget() = default;

void Widget::doSomething() {
    pImpl->doSomething();
}

void Widget::addValue(int value) {
    pImpl->addValue(value);
}

在这个改造后的版本中，我们将实现细节移到了Impl类中，接口类Widget仅持有一个指向实现类的指针。

Pimpl模式的详细解释

  • 在Widget的构造函数中，初始化pImpl，使用std::make_unique<Impl>()来创建实现类的实例。在析构函数中，使用default关键字，让编译器自动生成析构函数，以确保std::unique_ptr能够正确地销毁实现类的实例。

  • 在Widget的成员函数中，将所有操作委托给pImpl。例如，doSomething函数调用了pImpl->doSomething()，addValue函数调用了pImpl->addValue(value)。

reference

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