PImpl(Pointer to Implementation)指向实现的指针 [使用ChatGPT学习系列]

news2025/1/11 20:47:11

PImpl是Pointer to Implementation的缩写，也被称为“编译期实现”，是一种C++设计的模式。用于将类的实现细节与其公共接口分离开来。该模式的核心思想是通过一个指向类的实现的指针来隐藏类的实现细节，从而提高类的封装性和安全性。

PImpl是一种C++编程技巧，它将类的实现细节从对象表示中移除，放到一个分离的类中，并以一个不透明的指针进行访问。此技巧用于构造拥有稳定 ABI 的 C++ 库接口，及减少编译时依赖。

【拓展：ABI指的是Application Binary Interface，是应用程序二进制接口的缩写。ABI定义了应用程序与操作系统或库之间的二进制接口规范，包括二进制数据格式、调用约定、符号命名规则等方面的规定。这些规定是保证不同的二进制模块能够相互调用和兼容的重要保障。

在编译程序时，编译器会按照ABI规范生成二进制代码，而在链接时，链接器会根据ABI规范将不同的二进制模块合并成可执行程序或共享库。因此，遵守ABI规范可以保证二进制模块的互操作性和可移植性，降低软件开发和维护的成本，同时也能提高系统的稳定性和安全性】

一.PImpl的好处

使用PImpl模式的好处是：

可以避免对实现细节的公开，从而减少了头文件中的依赖项和编译时间，并且使得类的实现可以更加灵活和方便地修改，而不会影响其公共接口。

在使用PImpl模式时，通常需要将类的实现细节封装在一个单独的结构体或类中，称为“实现类”或“pImpl类”，然后通过一个指向该实现类的指针来访问实现细节。这个指针通常作为类的私有成员变量，并在类的构造函数和析构函数中进行初始化和清理。这样，当类的实现细节发生变化时，只需要修改实现类而不需要修改公共接口，从而实现了类的高内聚低耦合的设计目标。

2.使用PImpl模式还可以降低类的二进制兼容性问题，因为类的公共接口不受实现细节的影响，减少编译时依赖。

因为类的私有数据成员参与其对象表示，影响大小和布局，也因为类的私有成员函数参与重载决议（这会在成员访问检查之前发生），因此对实现细节的任何更改都要求该类的所有用户重新编译。

pImpl 打破了这种编译依赖；实现的改动不会导致重编译。结果是，如果某个库在其 ABI 中使用 pImpl，那么这个库的新版本可以更改实现，并且与旧版本保持 ABI 兼容。

二.示例代码

在下面的代码中，我们使用了std::unique_ptr智能指针来管理指向实现类的指针。因为 std::unique_ptr要求被指向类型在任何实例化删除器的语境中均为完整类型，所以特殊成员函数必须由用户声明，并在实现文件（实现类完整处）中类外定义。

在Widget类的构造函数中，我们使用了std::make_unique函数来创建一个新的WidgetImpl对象，并将其传递给智能指针。

在Widget类的拷贝构造函数中，我们使用了std::make_unique和拷贝构造函数来创建一个新的WidgetImpl对象，并将其传递给智能指针。

在Widget类的赋值操作符中，我们使用了智能指针的默认赋值操作符来赋值实现类的指针。需要注意的是，在Widget类的析构函数中，我们不需要手动释放指向实现类的指针，因为智能指针会自动管理其生命周期，确保在Widget对象被销毁时自动释放实现类的资源。

// Widget.h

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

    Widget(const Widget& other);
    Widget& operator=(const Widget& other);

    void doSomething();

private:
    class WidgetImpl;  // 前向声明

    std::unique_ptr<WidgetImpl> pImpl;  // 指向实现类的智能指针
};

// Widget.cpp

#include "Widget.h"

class Widget::WidgetImpl
{
public:
    void doSomethingImpl();
};

//初始化指针
Widget::Widget() : pImpl(std::make_unique<WidgetImpl>())
{
}

Widget::~Widget()
{
}

//拷贝构造
Widget::Widget(const Widget& other)
        :pImpl(std::make_unique<WidgetImpl>(*other.pImpl))
{
}
//赋值构造
Widget& Widget::operator=(const Widget& other)
{
    *pImpl = *other.pImpl;
    return *this;
}

//调用WidgetImpl的方法
void Widget::doSomething()
{
    pImpl->doSomethingImpl();
}

void Widget::WidgetImpl::doSomethingImpl()
{
    // 实现具体的功能
}