将C++文件间的编译依赖性降至最低【ZZ】

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假设某一天你打开自己的C++程序代码，然后对某个类的实现做了小小的改动。提醒你，改动的不是接口，而是类的实现，也就是说，只是细节部分。然后你准备重新生成程序，心想，编译和链接应该只会花几秒种。毕竟，只是改动了一个类嘛！于是你点击了一下"Rebuild"，或输入make（或其它类似命令）。然而，等待你的是惊愕，接着是痛苦。因为你发现，整个世界都在被重新编译、重新链接！

当这一切发生时，你难道仅仅只是愤怒吗？

问题发生的原因在于，在将接口从实现分离这方面，C++做得不是很出色。尤其是，C++的类定义中不仅包含接口规范，还有不少实现细节。例如：

class Person {
public:
  Person(const string& name, const Date& birthday,
         const Address& addr, const Country& country);
  virtual ~Person();

  ...                      // 简化起见，省略了拷贝构造
                           // 函数和赋值运算符函数
  string name() const;
  string birthDate() const;
  string address() const;
  string nationality() const;

private:
  string name_;            // 实现细节
  Date birthDate_;         // 实现细节
  Address address_;        // 实现细节
  Country citizenship_;    // 实现细节
};

这很难称得上是一个很高明的设计，虽然它展示了一种很有趣的命名方式：当私有数据和公有函数都想用某个名字来标识时，让前者带一个尾部下划线就可以区别了。这里要注意到的重要一点是，Person的实现用到了一些类，即string， Date，Address和Country；Person要想被编译，就得让编译器能够访问得到这些类的定义。这样的定义一般是通过#include指令来提供的，所以在定义Person类的文件头部，可以看到象下面这样的语句：

#include <string>           // 用于string类型 (参见条款49)
#include "date.h"
#include "address.h"
#include "country.h"

遗憾的是，这样一来，定义Person的文件和这些头文件之间就建立了编译依赖关系。所以如果任一个辅助类（即string， Date，Address和Country）改变了它的实现，或任一个辅助类所依赖的类改变了实现，包含Person类的文件以及任何使用了Person类的文件就必须重新编译。对于Person类的用户来说，这实在是令人讨厌，因为这种情况用户绝对是束手无策。

那么，你一定会奇怪为什么C++一定要将一个类的实现细节放在类的定义中。例如，为什么不能象下面这样定义Person，使得类的实现细节与之分开呢？

class string;         // "概念上" 提前声明string 类型
                      // 详见条款49

class Date;           // 提前声明
class Address;        // 提前声明
class Country;        // 提前声明

class Person {
public:
  Person(const string& name, const Date& birthday,
         const Address& addr, const Country& country);
  virtual ~Person();

  ...                      // 拷贝构造函数, operator=

  string name() const;
  string birthDate() const;
  string address() const;
  string nationality() const;
};

如果这种方法可行的话，那么除非类的接口改变，否则Person 的用户就不需要重新编译。大系统的开发过程中，在开始类的具体实现之前，接口往往基本趋于固定，所以这种接口和实现的分离将大大节省重新编译和链接所花的时间。

可惜的是，现实总是和理想相抵触，看看下面你就会认同这一点：

int main()
{
  int x;                      // 定义一个int

  Person p(...);              // 定义一个Person
                              // (为简化省略参数)
  ...

}

当看到x的定义时，编译器知道必须为它分配一个int大小的内存。这没问题，每个编译器都知道一个int有多大。然而，当看到p的定义时，编译器虽然知道必须为它分配一个Person大小的内存，但怎么知道一个Person对象有多大呢？唯一的途径是借助类的定义，但如果类的定义可以合法地省略实现细节，编译器怎么知道该分配多大的内存呢？

原则上说，这个问题不难解决。有些语言如Smalltalk，Eiffel和Java每天都在处理这个问题。它们的做法是，当定义一个对象时，只分配足够容纳这个对象的一个指针的空间。也就是说，对应于上面的代码，他们就象这样做：

int main()
{
  int x;                     // 定义一个int

  Person *p;                 // 定义一个Person指针
     
  ...
}

你可能以前就碰到过这样的代码，因为它实际上是合法的C++语句。这证明，程序员完全可以自己来做到 "将一个对象的实现隐藏在指针身后"。

下面具体介绍怎么采用这一技术来实现Person接口和实现的分离。首先，在声明Person类的头文件中只放下面的东西：

// 编译器还是要知道这些类型名，
// 因为Person的构造函数要用到它们
class string;      // 对标准string来说这样做不对，
                   // 原因参见条款49
class Date;
class Address;
class Country;

// 类PersonImpl将包含Person对象的实
// 现细节，此处只是类名的提前声明
class PersonImpl;

class Person {
public:
  Person(const string& name, const Date& birthday,
         const Address& addr, const Country& country);
  virtual ~Person();

  ...                               // 拷贝构造函数, operator=

  string name() const;
  string birthDate() const;
  string address() const;
  string nationality() const;

private:
  PersonImpl *impl;                 // 指向具体的实现类
};

现在Person的用户程序完全和string，date，address，country以及person的实现细节分家了。那些类可以随意修改，而Person的用户却落得个自得其乐，不闻不问。更确切的说，它们可以不需要重新编译。另外，因为看不到Person的实现细节，用户不可能写出依赖这些细节的代码。这是真正的接口和实现的分离。

分离的关键在于，"对类定义的依赖" 被 "对类声明的依赖" 取代了。所以，为了降低编译依赖性，我们只要知道这么一条就足够了：只要有可能，尽量让头文件不要依赖于别的文件；如果不可能，就借助于类的声明，不要依靠类的定义。其它一切方法都源于这一简单的设计思想。

下面就是这一思想直接深化后的含义：

· 如果可以使用对象的引用和指针，就要避免使用对象本身。定义某个类型的引用和指针只会涉及到这个类型的声明。定义此类型的对象则需要类型定义的参与。

· 尽可能使用类的声明，而不使用类的定义。因为在声明一个函数时，如果用到某个类，是绝对不需要这个类的定义的，即使函数是通过传值来传递和返回这个类：

  class Date;                    // 类的声明

  Date returnADate();            // 正确 ---- 不需要Date的定义
  void takeADate(Date d);    

当然，传值通常不是个好主意（见条款22），但出于什么原因不得不这样做时，千万不要还引起不必要的编译依赖性。

如果你对returnADate和takeADate的声明在编译时不需要Date的定义感到惊讶，那么请跟我一起看看下文。其实，它没看上去那么神秘，因为任何人来调用那些函数，这些人会使得Date的定义可见。"噢" 我知道你在想，"为什么要劳神去声明一个没有人调用的函数呢？" 不对！不是没有人去调用，而是，并非每个人都会去调用。例如，假设有一个包含数百个函数声明的库（可能要涉及到多个名字空间----参见条款28），不可能每个用户都去调用其中的每一个函数。将提供类定义（通过#include 指令）的任务从你的函数声明头文件转交给包含函数调用的用户文件，就可以消除用户对类型定义的依赖，而这种依赖本来是不必要的、是人为造成的。

· 不要在头文件中再（通过#include指令）包含其它头文件，除非缺少了它们就不能编译。相反，要一个一个地声明所需要的类，让使用这个头文件的用户自己（通过#include指令）去包含其它的头文件，以使用户代码最终得以通过编译。一些用户会抱怨这样做对他们来说很不方便，但实际上你为他们避免了许多你曾饱受的痛苦。事实上，这种技术很受推崇，并被运用到C++标准库（参见条款49）中；头文件<iosfwd>就包含了iostream库中的类型声明（而且仅仅是类型声明）。

Person类仅仅用一个指针来指向某个不确定的实现，这样的类常常被称为句炳类(Handle class)或信封类(Envelope class)。（对于它们所指向的类来说，前一种情况下对应的叫法是主体类(Body class)；后一种情况下则叫信件类(Letter class)。）偶尔也有人把这种类叫 "Cheshire猫" 类，这得提到《艾丽丝漫游仙境》中那只猫，当它愿意时，它会使身体其它部分消失，仅仅留下微笑。

你一定会好奇句炳类实际上都做了些什么。答案很简单：它只是把所有的函数调用都转移到了对应的主体类中，主体类真正完成工作。例如，下面是Person的两个成员函数的实现：

#include "Person.h"          // 因为是在实现Person类，
                             // 所以必须包含类的定义

#include "PersonImpl.h"      // 也必须包含PersonImpl类的定义，
                             // 否则不能调用它的成员函数。
                             // 注意PersonImpl和Person含有一样的
                             // 成员函数，它们的接口完全相同

Person::Person(const string& name, const Date& birthday,
               const Address& addr, const Country& country)
{
  impl = new PersonImpl(name, birthday, addr, country);
}

string Person::name() const
{
  return impl->name();
}

请注意Person的构造函数怎样调用PersonImpl的构造函数（隐式地以new来调用，参见条款5和M8）以及Person::name怎么调用PersonImpl::name。这很重要。使Person成为一个句柄类并不改变Person类的行为，改变的只是行为执行的地点。

除了句柄类，另一选择是使Person成为一种特殊类型的抽象基类，称为协议类（Protocol class）。根据定义，协议类没有实现；它存在的目的是为派生类确定一个接口（参见条款36）。所以，它一般没有数据成员，没有构造函数；有一个虚析构函数（见条款14），还有一套纯虚函数，用于制定接口。Person的协议类看起来会象下面这样：

class Person {
public:
  virtual ~Person();

  virtual string name() const = 0;
  virtual string birthDate() const = 0;
  virtual string address() const = 0;
  virtual string nationality() const = 0;
};

Person类的用户必须通过Person的指针和引用来使用它，因为实例化一个包含纯虚函数的类是不可能的（但是，可以实例化Person的派生类----参见下文）。和句柄类的用户一样，协议类的用户只是在类的接口被修改的情况下才需要重新编译。

当然，协议类的用户必然要有什么办法来创建新对象。这常常通过调用一个函数来实现，此函数扮演构造函数的角色，而这个构造函数所在的类即那个真正被实例化的隐藏在后的派生类。这种函数叫法挺多（如工厂函数(factory function)，虚构造函数(virtual constructor)），但行为却一样：返回一个指针，此指针指向支持协议类接口（见条款M25）的动态分配对象。这样的函数象下面这样声明：

// makePerson是支持Person接口的
// 对象的"虚构造函数" ( "工厂函数")
Person*
  makePerson(const string& name,         // 用给定的参数初始化一个
             const Date& birthday,       // 新的Person对象，然后
             const Address& addr,        // 返回对象指针
             const Country& country);  

用户这样使用它：

string name;
Date dateOfBirth;
Address address;
Country nation;

...

// 创建一个支持Person接口的对象
Person *pp = makePerson(name, dateOfBirth, address, nation);

...

cout  << pp->name()              // 通过Person接口使用对象
      << " was born on "         
      << pp->birthDate()
      << " and now lives at "
      << pp->address();

...

delete pp;                       // 删除对象

makePerson这类函数和它创建的对象所对应的协议类（对象支持这个协议类的接口）是紧密联系的，所以将它声明为协议类的静态成员是很好的习惯：

class Person {
public:
  ...        // 同上

// makePerson现在是类的成员
  static Person * makePerson(const string& name,
                             const Date& birthday,
                             const Address& addr,
                             const Country& country);

这样就不会给全局名字空间（或任何其他名字空间）带来混乱，因为这种性质的函数会很多（参见条款28）。

当然，在某个地方，支持协议类接口的某个具体类（concrete class）必然要被定义，真的构造函数也必然要被调用。它们都背后发生在实现文件中。例如，协议类可能会有一个派生的具体类RealPerson，它具体实现继承而来的虚函数：

class RealPerson: public Person {
public:
  RealPerson(const string& name, const Date& birthday,
             const Address& addr, const Country& country)
  :  name_(name), birthday_(birthday),
     address_(addr), country_(country)
  {}

  virtual ~RealPerson() {}

  string name() const;          // 函数的具体实现没有
  string birthDate() const;     // 在这里给出，但它们
  string address() const;       // 都很容易实现
  string nationality() const;   

private:
  string name_;
  Date birthday_;
  Address address_;
  Country country_;

有了RealPerson，写Person::makePerson就是小菜一碟：

Person * Person::makePerson(const string& name,
                            const Date& birthday,
                            const Address& addr,
                            const Country& country)
{
  return new RealPerson(name, birthday, addr, country);
}

实现协议类有两个最通用的机制，RealPerson展示了其中之一：先从协议类（Person）继承接口规范，然后实现接口中的函数。另一种实现协议类的机制涉及到多继承，这将是条款43的话题。

是的，句柄类和协议类分离了接口和实现，从而降低了文件间编译的依赖性。"但，所有这些把戏会带来多少代价呢？"，我知道你在等待罚单的到来。答案是计算机科学领域最常见的一句话：它在运行时会多耗点时间，也会多耗点内存。

句柄类的情况下，成员函数必须通过（指向实现的）指针来获得对象数据。这样，每次访问的间接性就多一层。此外，计算每个对象所占用的内存大小时，还应该算上这个指针。还有，指针本身还要被初始化（在句柄类的构造函数内），以使之指向被动态分配的实现对象，所以，还要承担动态内存分配（以及后续的内存释放）所带来的开销 ---- 见条款10。

对于协议类，每个函数都是虚函数，所有每次调用函数时必须承担间接跳转的开销（参见条款14和M24）。而且，每个从协议类派生而来的对象必然包含一个虚指针（参见条款14和M24）。这个指针可能会增加对象存储所需要的内存数量（具体取决于：对于对象的虚函数来说，此协议类是不是它们的唯一来源）。

最后一点，句柄类和协议类都不大会使用内联函数。使用任何内联函数时都要访问实现细节，而设计句柄类和协议类的初衷正是为了避免这种情况。

但如果仅仅因为句柄类和协议类会带来开销就把它们打入冷宫，那就大错特错。正如虚函数，你难道会不用它们吗？（如果回答不用，那你正在看一本不该看的书！）相反，要以发展的观点来运用这些技术。在开发阶段要尽量用句柄类和协议类来减少 "实现" 的改变对用户的负面影响。如果带来的速度和/或体积的增加程度远远大于类之间依赖性的减少程度，那么，当程序转化成产品时就用具体类来取代句柄类和协议类。希望有一天，会有工具来自动执行这类转换。

有些人还喜欢混用句柄类、协议类和具体类，并且用得很熟练。这固然使得开发出来的软件系统运行高效、易于改进，但有一个很大的缺点：还是必须得想办法减少程序重新编译时消耗的时间。