C++ PImpl模式、指向实现的指针、PImpl Idiom、隐藏实现细节

flyfish

PImpl 全称是 “Pointer to Implementation”，在中文中通常翻译为“指向实现的指针”或者“指向实现”。PImpl 是一种编程技巧，通常用于 C++ 中，通过这种技术，可以隐藏类的实现细节，达到信息隐藏和二进制兼容性的目的。PImpl 也被称为“编译防火墙”（Compilation Firewall）。

PImpl 模式在遇到以下情况下可以使用：

如果是在简单场景下，不使用 PImpl 的实现更直接，如果遇到下面的情况，就可以使用PImpl 的方式。

1 隐藏实现细节：

如果你想要隐藏类的内部实现细节，使得用户只需要知道类的接口，而无需了解具体实现。
这在发布库或 API 时特别有用，可以避免用户代码依赖于类的具体实现，从而提高封装性。

2 减少编译依赖：

如果你的类实现可能经常改变，而不希望每次改变都导致所有依赖该类的代码重新编译。
例如，当一个类的成员变量或内部实现发生变化时，使用 PImpl 模式可以避免重新编译所有包括这个头文件的文件。

3提高二进制兼容性：

在需要保持 ABI（应用程序二进制接口）稳定的场景下，PImpl 模式可以在不改变类接口的前提下，修改类的实现细节，从而提高二进制兼容性。如果你需要确保类的接口稳定，并希望在不改变接口的情况下能够自由地修改实现细节，PImpl 是一个合适的选择。

4 管理复杂实现：

当类的实现变得非常复杂时，将实现细节放在单独的实现类中，有助于保持代码的清晰和可维护性。

其他名字

Cheshire Cat：这个名字来源于《爱丽丝梦游仙境》中的柴郡猫，它有时会隐形，只留下笑脸。这个比喻形象地描述了 PImpl 模式隐藏实现细节的特性。
Compiler Firewall：这个名字强调了 PImpl 模式可以减少编译依赖，像防火墙一样隔离实现和接口。
d-pointer：这个名字主要在 Qt 库中使用，指的是 “指向数据（implementation）的指针”。

+---------------------+       +---------------------+
|      MyClass        |       |    MyClass::Impl    |
|---------------------|       |---------------------|
| - pImpl: Impl*      |       | - someData: int     |
|---------------------|       |---------------------|
| + MyClass()         |       | + Impl()            |
| + ~MyClass()        |       | + ~Impl()           |
| + someMethod()      |       | + someMethodImpl()  |
+---------------------+       +---------------------+|                                 |+-------------------+-------------+|has a ||+--------v---------+|    std::unique_ptr||-------------------||     - Impl        |+-------------------+

C++ 里的 “has a”

在 C++ 编程中，“has a” 关系指的是成员对象或成员指针的关系。也就是说，一个类拥有另一个类的对象或指针作为其成员。这种关系与继承（“is a”）不同：
“has a”（组合关系）：一个类包含另一个类的对象或指针。
“is a”（继承关系）：一个类继承自另一个类。
PImpl 模式中，“has a” 关系意味着 MyClass 包含一个 Impl 对象的指针，这个关系表示 MyClass 持有并管理 Impl 对象的生命周期。

示例代码

头文件：MyClass.h

#ifndef MYCLASS_H
#define MYCLASS_H#include <memory> // 使用智能指针需要包含这个头文件class MyClass {
public:MyClass(); // 构造函数~MyClass(); // 析构函数void someMethod(); // 公有方法private:// 前向声明一个名为 Impl 的类，这是实现细节类class Impl;// 使用 std::unique_ptr 管理 Impl 的指针std::unique_ptr<Impl> pImpl;
};#endif // MYCLASS_H

源文件：MyClass.cpp

#include "MyClass.h" // 包含头文件// 定义实现类 Impl
class MyClass::Impl {
public:// 实现方法void someMethodImpl() {// 具体的实现细节// 例如，这里我们简单地输出一段文字std::cout << "This is the implementation of someMethod." << std::endl;}
};// 构造函数
MyClass::MyClass() : pImpl(std::make_unique<Impl>()) {// 初始化 pImpl，指向一个新的 Impl 对象
}// 析构函数
MyClass::~MyClass() = default; // 使用默认析构函数，这里会自动释放 pImpl 指向的内存// 公有方法，调用 Impl 类的实现方法
void MyClass::someMethod() {pImpl->someMethodImpl(); // 通过 pImpl 调用具体实现
}

主程序文件：main.cpp

#include "MyClass.h" // 包含 MyClass 类的头文件
#include <iostream> // 用于输出int main() {MyClass myClass; // 创建 MyClass 对象myClass.someMethod(); // 调用公有方法return 0; // 程序结束
}

程序输出：

This is the implementation of someMethod.

说明

头文件 (MyClass.h) ：
class MyClass 定义了一个类，其中有一个私有的指向实现类 Impl 的指针 pImpl。
构造函数和析构函数声明，以及一个公有方法 someMethod 的声明。
源文件 (MyClass.cpp) ：
首先定义 MyClass 的实现类 Impl。这是一个具体实现类，其中包含方法 someMethodImpl。
MyClass::MyClass 构造函数初始化 pImpl，使用 std::make_unique 创建一个新的 Impl 对象。
MyClass::~MyClass 析构函数默认删除 pImpl，因此不需要手动管理内存。
MyClass::someMethod 方法调用 pImpl 指向的 Impl 对象的 someMethodImpl 方法。
主程序文件 (main.cpp) ：
创建 MyClass 对象并调用其 someMethod 方法。