Pimpl（Pointer to Implementation）是C 中的一种设计模式，也是一种惯用法，用于实现封装和隐藏类的实现细节。Pimpl的主要思想是将类的具体实现细节放在一个单独的类中，然后在主类中使用指向该实现类的指针。这有助于减小头文件的依赖性，提高编译速度，同时可以隐藏实现细节，减少对用户的影响。
以下是使用Pimpl惯用法的简单示例：
1. 原始实现（没有使用Pimpl）
代码语言：javascript复制// MyClass.h
#ifndef MYCLASS_H
#define MYCLASS_H
class MyClass {
public:
MyClass();
~MyClass();
void doSomething();
private:
// 大量的私有实现细节
};
#endif // MYCLASS_H
// MyClass.cpp
#include "MyClass.h"
#include <iostream>
class MyClassImpl {
public:
void doSomething() {
std::cout << "Doing something." << std::endl;
}
};
MyClass::MyClass() {
// 构造函数中的实现细节
}
MyClass::~MyClass() {
// 析构函数中的实现细节
}
void MyClass::doSomething() {
// 调用实现细节
impl->doSomething();
}
2. 使用Pimpl
代码语言：javascript复制// MyClass.h
#ifndef MYCLASS_H
#define MYCLASS_H
#include <memory>
class MyClass {
public:
MyClass();
~MyClass();
void doSomething();
private:
class MyClassImpl; // 前向声明
std::unique_ptr<MyClassImpl> impl; // 使用智能指针管理实现类对象
};
#endif // MYCLASS_H
// MyClass.cpp
#include "MyClass.h"
#include <iostream>
class MyClass::MyClassImpl {
public:
void doSomething() {
std::cout << "Doing something." << std::endl;
}
};
MyClass::MyClass() : impl(std::make_unique<MyClassImpl>()) {
// 构造函数中的实现细节
}
MyClass::~MyClass() {
// 析构函数中的实现细节
}
void MyClass::doSomething() {
// 调用实现细节
impl->doSomething();
}
使用Pimpl的优势在于：
- 封装性更好： 用户只需知道公共接口，不需要了解具体的实现细节，提高了类的封装性。
- 减小编译依赖： 用户只需要包含主类的头文件，而不需要包含具体实现的头文件。这有助于降低编译时间和减少对用户的影响。
- 减小编译时修改的风险： 如果实现细节发生变化，只需在实现文件中进行修改，而不需要修改主类的头文件。
- 隐藏实现细节： 实现细节被隐藏在独立的实现类中，使得修改和维护更加方便。
当使用Pimpl时，需要注意：
- 使用智能指针进行内存管理，以确保在主类销毁时实现类的内存得到正确释放。
- 在主类的析构函数中定义实现类的析构细节，确保资源被正确释放。
- 避免在主类的头文件中包含实现类的头文件，以减小编译时的依赖关系。
- 在主类的实现文件中包含实现类的头文件，以确保可以使用实现类的具体实现。
使用Pimpl惯用法有助于使代码更加模块化，降低耦合度，提高可维护性，并且减少因为实现细节变动而导致的重新编译。
3. 使用Pimpl的注意事项
虽然Pimpl带来了许多优势，但在使用的过程中也需要注意一些问题：
- 构造和析构的成本： 每个实例都需要在堆上分配内存以容纳实现细节。这意味着构造和析构的成本可能会增加。
- 内存管理开销： 使用Pimpl会引入额外的内存管理开销，因为需要在堆上分配和释放实现类的内存。
- 复制和移动的开销： 复制和移动对象时，必须考虑实现细节的复制或移动开销。通常，使用智能指针可以减小这方面的开销。
- 不适用于小对象： 如果主类的实现非常小，使用Pimpl可能会引入不必要的开销。
- 不适用于不可复制的实现： 如果实现类不支持复制构造函数和赋值运算符，那么主类也将无法被复制。
- 动态内存分配的开销： Pimpl的一个潜在问题是在频繁创建和销毁对象时可能引入的动态内存分配的开销。
4. C 11及以后的移动语义和Pimpl
C 11引入的移动语义对于Pimpl模式尤其有益。通过使用移动构造函数和移动赋值运算符，可以减小Pimpl模式中的拷贝开销，提高性能。
以下是一个使用C 11移动语义的Pimpl模式的简单示例：
代码语言：javascript复制// MyClass.h
#ifndef MYCLASS_H
#define MYCLASS_H
#include <memory>
class MyClass {
public:
MyClass();
~MyClass();
// 移动构造函数
MyClass(MyClass&& other) noexcept;
// 移动赋值运算符
MyClass& operator=(MyClass&& other) noexcept;
void doSomething();
private:
class MyClassImpl;
std::unique_ptr<MyClassImpl> impl;
};
#endif // MYCLASS_H
// MyClass.cpp
#include "MyClass.h"
#include <iostream>
class MyClass::MyClassImpl {
public:
void doSomething() {
std::cout << "Doing something." << std::endl;
}
};
MyClass::MyClass() : impl(std::make_unique<MyClassImpl>()) {}
MyClass::~MyClass() {}
MyClass::MyClass(MyClass&& other) noexcept : impl(std::move(other.impl)) {}
MyClass& MyClass::operator=(MyClass&& other) noexcept {
if (this != &other) {
impl = std::move(other.impl);
}
return *this;
}
void MyClass::doSomething() {
impl->doSomething();
}
使用移动语义可以避免不必要的拷贝操作，提高了Pimpl模式的效率。
5. 使用不完全类型
在Pimpl模式中，可以使用不完全类型（Incomplete Type）来隐藏实现类的详细信息，以减少对用户的暴露。
以下是一个使用不完全类型的Pimpl示例：
代码语言：javascript复制// MyClass.h
#ifndef MYCLASS_H
#define MYCLASS_H
#include <memory>
class MyClass {
public:
MyClass();
~MyClass();
void doSomething();
private:
class MyClassImpl; // 不完全类型的声明
std::unique_ptr<MyClassImpl> impl;
};
#endif // MYCLASS_H
// MyClass.cpp
#include "MyClass.h"
#include <iostream>
class MyClass::MyClassImpl {
public:
void doSomething() {
std::cout << "Doing something." << std::endl;
}
};
MyClass::MyClass() : impl(std::make_unique<MyClassImpl>()) {}
MyClass::~MyClass() {}
void MyClass::doSomething() {
impl->doSomething();
}
在头文件中，只需声明MyClassImpl的存在，而不需要包含其定义。这样可以减少对用户的暴露，使得用户只需知道实现的存在而不需要知道其具体细节。
6. 使用智能指针
Pimpl模式通常与智能指针一起使用，以简化内存管理并提高安全性。在前述示例中，使用std::unique_ptr来管理MyClassImpl的内存，确保在MyClass对象生命周期结束时，MyClassImpl对象会被正确释放。
7. Pimpl的适用场景
Pimpl模式特别适用于以下场景：
- 减小编译依赖： 当一个类的实现细节变动频繁时，使用Pimpl可以减小主类的头文件对其他文件的依赖，加快编译速度。
- 隐藏实现细节： 当类的实现细节对用户而言不重要时，使用Pimpl可以隐藏这些细节，提高代码的封装性。
- 提高二进制兼容性： 当需要保持二进制兼容性时，使用Pimpl可以在不修改主类接口的情况下修改实现细节。
- 实现信息隐藏： 当需要隐藏类的大小和成员信息时，使用Pimpl可以将这些信息移动到实现类中。
总的来说，Pimpl模式是一种在特定场景下非常有用的设计模式，但也需要权衡其带来的成本和收益。在实践中，根据具体的需求和场景来决定是否使用Pimpl。
