柴郡猫技术--C++中的PIMPL设计模式

C++ 中的“柴郡猫技术”(Cheshire Cat Idiom)，又称为 PIMPL(Pointer to IMPLementation) ，Opaque Pointer 等，是一种在类中只定义接口，而将私有数据成员封装在另一个实现类中的惯用法。该方法主要是为了隐藏类的数据以及减轻编译时的压力。

“柴郡猫”是什么鬼？就是下面这货：

Cheshire Cat

柴郡猫（Cheshire cat）是英国作家刘易斯·卡罗尔（Lewis Carroll,1832-1898）创作的童话《爱丽丝漫游奇境记（Alice’s Adventure in Wonderland)》中的虚构角色，形象是一只咧着嘴笑的猫，拥有能凭空出现或消失的能力，甚至在它消失以后，它的笑容还挂在半空中。— 来自百度百科

柴郡猫的能力和 PIMPL 的功能相一致，即虽然数据成员“消失”了（被隐藏了），但是我们的“柴郡猫”的笑容还是可以发挥威力。

下面通过例子来介绍一下 PIMPL 。

 

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1 数据隐藏

C++ 中我们在头文件中定义类，比如一个简单的 Student 类由如下方式定义：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 // student.h   class Student { public: Student(); // Constructor ~Student(); // Destructor void sayHello(std::ostream &out);   std:: string getName() const; void setName(std::string name);   int getAge() const; void setAge(int age);   private: string _name; unsigned int _age; };

这里 _name 和 _age 是 Student 类的私有数据成员。然而使用该类的客户往往更关心类的接口（该类能提供哪些服务），我们希望隐藏 Student 类的私有数据成员，这时候就可以利用 PIMPL 模式：定义一个实现类，将 Student 类的数据封装到这个实现类中，同时在 Student 类中保留一个指向该实现类的指针变量。用代码解释更清楚：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 // student.h   class Student { public: Student(); // Constructor ~Student(); // Destructor void sayHello(std::ostream &out);   std:: string getName() const; void setName(std::string name);   int getAge() const; void setAge(int age);   private: class CheshireCat; // Forward declaration CheshireCat *_smileCat; }; 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 // student.cpp   #include "student.h" #include <iostream> #include <string>   using namespace std;   class Student::CheshireCat { public: CheshireCat() : _name( string("Guy")), _age(18) {}   ~CheshireCat() {}   string _name; int _age; };   Student::Student() : _smileCat( new CheshireCat()) {   }   Student::~Student() { delete _smileCat; }   void Student::sayHello(std::ostream &out) { out << "Hello! My name is " << _smileCat->_name << "." << endl; out << "I am " << _smileCat->_age << " years old." << endl; }   string Student::getName() { return _smileCat->_name; }   void Student::setName(string name) { _smileCat->_name = name; }   int Student::getAge() { return _smileCat->_age; }   void Student::setAge(int age) { _smileCat->_age = age; }

好了，现在Student类的接口没有任何变化，但是头文件中原有的私有数据成员消失了，只留下一只微笑的柴郡猫（CheshireCat *_smileCat;）。

 

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2 节省编译时间

使用 PIMPL 可以帮助我们节省程序编译的时间。考虑下面这个类：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 // A.h   #include "BigClass.h" #include "VeryBigClass"   class A { //... private: BigClass big; VeryBigClass veryBig; };

我们知道C++中有头文件(.h)和实现文件(.cpp)，一旦头文件发生变化，不管多小的变化，所有引用它的文件都必须重新编译。对于一个很大的项目，C++一次编译可能就会耗费大量的时间，如果代码需要频繁改动，那真的是不能忍。这里如果我们把 BigClass big; 和 VeryBigClass veryBig; 利用 PIMPL 封装到一个实现类中，就可以减少 A.h 的编译依赖，起到减少编译时间的效果：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 // A.h   class A { public: // 与原来相同的接口   private: struct AImp; AImp *pimpl; };

 

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3 副作用

使用 PIMPL 需要在堆空间上分配和释放内存，内存开销增加，同时也需要更多的间接指针跳转，因此有一些副作用。

虽然如此，PIMPL 仍然是一种实现数据隐藏、减少编译时间的有效方法。除非会引起显著的程序性能下降，推荐使用 PIMPL 进行设计。

 

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4 C++11 风格的 PIMPL

现代 C++ 中不提倡使用 owning raw pointers 和 delete ，我们可以用智能指针实现 PIMPL。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 // myclass.h class MyClass { public: /* ... */   private: class AImpl; // forward declaration unique_ptr<AImpl> _pimpl; // opaque type here }; 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 // myclass.cpp   class MyClass::AImpl { /* ... */ };   MyClass::MyClass() : _pimpl( new AImpl()) { /* ... */ }

 

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参考

http://stackoverflow.com/questions/60570/why-should-the-pimpl-idiom-be-used

http://en.wikipedia.org/wiki/Opaque_pointer

转载于:https://www.cnblogs.com/Dennis-mi/articles/6185798.html

相关资源：JAVA上百实例源码以及开源项目