设计 C++ 接口文件的小技巧之 PIMPL
C++ 里面有一些惯用法（idioms），如 RAII，PIMPL，copy-swap、CRTP、SFINAE 等。今天要说的是 PIMPL，即 Pointer To Implementation，指向实现的指针。
问题描述
在实际的项目中，经常需要定义和第三方/供应商的 C++ 接口。假如有这样一个接口文件：
MyInterface.h
#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_;
};
该接口头文件存在以下问题：
- 暴露了 MyInterface 内部实现。所有的 private/protected 的方法、成员变量都暴露给接口的使用者
- 由此带来的另一个问题是接口不稳定。假如我们修改类的内部实现，即使不改变 public 接口，接口的使用者也需要跟着更新头文件：
- 比如 list_ 成员之前用的是 std::list 容器，现在打算改用 std::vector 容器
- 再比如，之前有 3 个 private 方法，现在重构实现部分，拆成更多的小函数
- 增加了使用者的依赖。接口的使用者想要使用上述头文件，必须要 #include "dds.h" 这个文件，而 "dds.h" 通常又会 #include 很多其他文件。最终的结果往往是要向接口的使用者提供很多额外的头文件。如果将来重构，不用 DDS，改用 SOME/IP 或其他中间件，接口的使用者也要跟着改变。不仅如此，为 private 成员而额外 #include 的头文件也会增加编译时间
解决方案 —— PIMPL
PIMPL 就是 C++ 里专门用来解决这些问题的惯用法。PIMPL 将 MyInterface 类的具体实现（private/protected 方法、成员）转移到另外一个嵌套类 Impl 中，然后利用前向声明（forward declaration）声明 Impl，并在原有的 MyInterface 接口类中增加一个指向 Impl 对象的指针。再次强调，在 MyInterface 中的 Impl 仅仅是一个前向声明，MyInterface 类只知道有 Impl 这么个类，但是对 Impl 有哪些方法、哪些成员变量一无所知，因此能做的事情非常有限（声明一个指向该类的指针就是其中之一）。而这恰恰就是 PIMPL 将接口和实现解耦的关键所在。
应用 PIMPL 后的 MyInterface.h 文件：
class MyInterface {
public:
MyInterface();
~MyInterface();
int publicApi1();
int publicApi2();
private:
struct Impl;
Impl* impl_;
};
现在 MyInterface.h 接口文件变得非常清爽，看不到任何 private/protected 的方法和成员变量，也不需要 #include 任何和 private 成员相关的头文件，隐藏实现细节，降低使用者的依赖，提高接口稳定性。
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 类的方法实现
// 原本 MyInterface 中的逻辑挪到 MyInterface::Impl 中
int MyInterface::Impl::publicApi1() {...}
可以看到，MyInterface 类的实现本身只是单纯地将请求委托/转发给 MyInterface::Impl 的同名方法。对于参数的传递，也可以适当使用 std::move 提升效率（关于 std::move 今后也可以展开说说）。
也可以把嵌套类 MyInterface::Impl 放到单独 MyInterfaceImpl.h/cpp 中，如此一来 MyInterface.cpp 就会变得非常简洁，就像下面这样：
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 类的方法定义
注意不要在 MyInterface.h 中 #include "MyInterfaceImpl.h"，否则就前功尽弃了。
现代 C++ 中的 PIMPL
以上是传统 C++ 中的 PIMPL 的实现，现代 C++ 应尽量避免使用裸指针，而使用智能指针。具体的原因见这篇文章「裸指针七宗罪」。
Impl 对象的所有权应该是 MyInterface 独有 ，unique_ptr 是合情合理的选择。如果直接将上述的裸指针替换成 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;
}
会看到这样的报错：
/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,
| ^~~~~~~~~~~
问题出在哪里呢？
问题就出在 MyInterface 的析构函数。在没有显式声明析构函数的情况下，编译器会默认合成一个隐式内联的析构函数（编译器在什么条件下，自动合成哪些函数也有不少学问，后面会单独发一篇），即等效如下代码：
class MyInterface {
public:
int publicApi1();
int publicApi2();
~MyInterface(){} // 是实现，不是声明！
private:
struct Impl;
std::unique_ptr<Impl> impl_;
};
在 MyInterface.h 中，编译器会自动合成 MyInterface 的析构函数的实现（而非声明），在这个析构函数实现里，会进行以下操作：
- 执行空的析构函数体
- 按照构造的相反顺序，依次销毁 MyInterface 的成员
- 销毁 unique_ptr
impl_ 成员 - 调用 unique_ptr 的析构函数
- unique_ptr 的析构函数调用默认的删除器（delete），删除指向的 Impl 对象
我们所看到报错，就出在第 5 步。unique_ptr 的实现代码在删除前，会进行 static_assert(sizeof(_Tp)>0 断言，而编译器执行该断言的时候，Impl 还是一个不完整类型（Incomplete Type）。因为编译器此时只看到了 MyInterface::Impl 的前向声明，还没有看到定义，不知道 Impl 有哪些成员，也不知 Impl 类占用多大内存，所以在进行 sizeof(Impl) 的时候报错。
知道了背后的原理，解决起来也很简单，就是保证在 MyInterface 析构函数实现的地方，能看到 Impl 类的定义即可：
MyInterface.h
#include <memory>
class MyInterface {
public:
int publicApi1();
int publicApi2();
MyInterface();
~MyInterface(); // 使用 unique_ptr 的关键：只声明，不实现！
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);
}
这样，一个正确的 PIMPL 就搞定啦！虽然 PIMPL 多了一层封装，稍微增加了一点点复杂度，但我认为这么做是绝对的利大于弊。以一个我曾参与的项目为例，在将近一年的时间里，实现库更新了很多版，但是接口文件从释放以来一直没变过，大大减少了和第三方/供应商的沟通、调试成本。
最后，留一个思考题：为什么将 unique_ptr 换成 shared_ptr 不会遇到上面的 static_assert(sizeof(_Tp)>0 编译错误？如果你能解释其中的原因，那说明你对 shared_ptr、unique_ptr 的理解相当深入了👏