C++接口工程实践:有哪些实现方法?
一 接口的分類
接口按照功能劃分可以分為調用接口與回調接口:
調用接口
一段代碼、一個模塊、一個程序庫、一個服務等(后面都稱為系統),對外提供什么功能,以接口的形式暴露出來,用戶只需要關心接口怎么調用,不用關心具體的實現,即可使用這些功能。這類被用戶調用的接口,稱為調用接口。
調用接口的主要作用是解耦,對用戶隱藏實現,用戶只需要關心接口的形式,不用關心具體的實現,只要保持接口的兼容性,實現上的修改或者升級對用戶無感知。解耦之后也方便多人合作開發,設計好接口之后,各模塊只通過接口進行交互,各自完成各自的模塊即可。
回調接口
系統定義接口,由用戶實現,注冊到系統中,系統有異步事件需要通知用戶時,回調用戶注冊的接口實現。系統定義接口的形式,但無需關心接口的實現,而是接受用戶的注冊,并在適當的時機調用。這類由系統定義,用戶實現,被系統調用的接口,稱為回調接口。
回調接口的主要作用是異步通知,系統定義好通知的接口,并在適當的時機發出通知,用戶接收通知,并執行相應的動作,用戶動作執行完后控制權交還給系統,用戶動作可以給系統返回一些數據,以決定系統后續的行為。
二 調用接口
我們以一個Network接口為例,說明C++中的調用接口的定義及實現,示例如下:
class Network { public:bool send(const char* host, uint16_t port, const std::string& message); }Network接口現在只需要一個send接口,可以向指定地址發送消息。下面我們用不同的方法來定義Network接口。
虛函數
虛函數是定義C++接口最直接的方式,使用虛函數定義Network接口類如下:
class Network { public:virtual bool send(const char* host, uint16_t port, const std::string& message) = 0;static Network* New();static void Delete(Network* network); }將send定義為純虛函數,讓子類去實現,子類不對外暴露,提供靜態方法New來創建子類對象,并以父類Network的指針形式返回。接口的設計一般遵循對象在哪創建就在哪銷毀的原則,因此提供靜態的Delete方法來銷毀對象。因為對象的銷毀封裝在接口內部,因此Network接口類可以不用虛析構函數。
使用虛函數定義接口簡單直接,但是有很多弊端:
- 虛函數開銷:虛函數調用需要使用虛函數表指針間接調用,運行時才能決定調用哪個函數,無法在編譯鏈接期間內聯優化。實際上調用接口在編譯期間就能確定調用哪個函數,無需虛函數的動態特性。
- 二進制兼容:由于虛函數是按照索引查詢虛函數表來調用,增加虛函數會造成索引變化,新接口不能在二進制層面兼容老接口,而且由于用戶可能繼承了Network接口類,在末尾增加虛函數也有風險,因此虛函數接口一經發布,難以修改。
指向實現的指針
指向實現的指針是C++比較推薦的定義接口的方式,使用指向實現的指針定義Network接口類如下:
class NetworkImpl; class Network { public:bool send(const char* host, uint16_t port, const std::string& message);Network();~Network();private:NetworkImpl* impl; }Network的實現通過impl指針轉發給NetworkImpl,NetworkImpl使用前置聲明,實現對用戶隱藏。使用指向實現的指針的方式定義接口,接口類對象的創建和銷毀可以由用戶負責,因此用戶可以選擇將Network類的對象創建在棧上,生命周期自動管理。
使用指向實現的指針定義接口具有良好的通用性,用戶能夠直接創建和銷毀接口對象,并且增加新的接口函數不影響二進制兼容性,便于系統的演進。
指向實現的指針增加了一層調用,盡管對性能的影響幾乎可以忽略不計,但不太符合C++的零開銷原則,那么問題來了,C++能否實現零開銷的接口呢?當然可以,即下面要介紹的隱藏的子類。
隱藏的子類
隱藏的子類可以實現零開銷的接口,思想非常簡單。調用接口要實現的目標是解耦,主要就是隱藏實現,也即隱藏接口類的成員變量,如果能將接口類的成員變量都移到另一個隱藏的實現類中,接口類就不需要任何成員變量,也就實現了隱藏實現的目的。隱藏的子類就是這個隱藏的實現類,使用隱藏的子類定義Network接口類如下:
class Network { public:bool send(const char* host, uint16_t port, const std::string& message);static Network* New();static void Delete(Network* network);protected:Network();~Network(); }Network接口類只有成員函數(非虛函數),沒有成員變量,并且構造函數和析構函數都申明為protected。提供靜態方法New創建對象,靜態方法Delete銷毀對象。New方法的實現中創建隱藏的子類NetworkImpl的對象,并以父類Network指針的形式返回。NetworkImpl類中存放Network類的成員變量,并將Network類聲明為friend:
class NetworkImpl : public Network {friend class Network;private://Network類的成員變量 }Network的實現中,創建隱藏的子類NetworkImpl的對象,并以父類Network指針的形式返回,通過將this強制轉換為NetworkImpl的指針,訪問成員變量:
bool Network::send(const char* host, uint16_t port, const std::string& message) {NetworkImpl* impl = (NetworkImpl*)this;//通過impl訪問成員變量,實現Network }static Network* New() {return new NetworkImpl(); }static void Delete(Network* network) {delete (NetworkImpl*)network; }使用隱藏的子類定義接口同樣具有良好的通用性和二進制兼容性,同時沒有增加任何開銷,符合C++的零開銷原則。
三 回調接口
同樣以Network接口為例,說明C++中的回調接口的定義及實現,示例如下:
class Network { public:class Listener{public:void onReceive(const std::string& message);}bool send(const char* host, uint16_t port, const std::string& message);void registerListener(Listener* listener); }現在Network需要增加接收消息的功能,增加Listener接口類,由用戶實現,并注冊其對象到Network中后,當有消息到達時,回調Listener的onReceive方法。
虛函數
使用虛函數定義Network接口類如下:
class Network { public:class Listener{public:virtual void onReceive(const std::string& message) = 0;}bool send(const char* host, uint16_t port, const std::string& message);void registerListener(Listener* listener); }將onReceive定義為純虛函數,由用戶繼承實現,由于多態的存在,回調的是實現類的方法。
使用虛函數定義回調接口簡單直接,但同樣存在和調用接口中使用虛函數同樣的弊端:虛函數調用開銷,二進制兼容性差。
函數指針
函數指針是C語言的方式,使用函數指針定義Network接口類如下:
class Network { public:typedef void (*OnReceive)(const std::string& message, void* arg);bool send(const char* host, uint16_t port, const std::string& message);void registerListener(OnReceive listener, void* arg); }使用函數指針定義C++回調接口簡單高效,但只適用于回調接口中只有一個回調函數的情形,如果Listener接口類中要增加onConnect,onDisconnect等回調方法,單個函數指針無法實現。另外函數指針不太符合面向對象的思想,可以換成下面要介紹的std::function。
std::function
std::function提供對可調用對象的抽象,可封裝簽名相符的任意的可調用對象。使用std::function定義Network接口類如下:
class Network { public:typedef std::function<void(const std::string& message)> OnReceive;bool send(const char* host, uint16_t port, const std::string& message);void registerListener(const OnReceive& listener); }std::function可以很好的取代函數指針,配合std::bind,具有很好的通用性,因而被廣受推崇。但std::function同樣只適用于回調接口中只有一個回調方法的情形。另外,std::function比較重量級,使用上面的便利卻會帶來了性能上的損失,有人做過性能對比測試,std::function大概比普通函數慢6倍以上,比虛函數還慢。
類成員函數指針
類成員函數指針的使用比較靈活,使用類成員函數指針定義Network接口類如下:
class Network { public:class Listener{public:void onReceive(const std::string& message);}typedef void (Listener::* OnReceive)(const std::string& message);bool send(const char* host, uint16_t port, const std::string& message);void registerListener(Listener* listener, OnReceive method);template<typename Class>void registerListener(Class* listener, void (Class::* method)(const std::string& message){registerListener((Listener*)listener, (OnReceive)method);} }因為類成員函數指針必須和類對象一起使用,所以Network的注冊接口需要同時提供對象指針和成員函數指針,registerListener模板函數可注冊任意類的對象和相應符合簽名的方法,無需繼承Listener,與接口類解耦。
使用類成員函數指針定義C++回調接口靈活高效,可實現與接口類解耦,并且不破壞面向對象特性,可很好的取代傳統的函數指針的方式。
類成員函數指針同樣只適用于回調接口中只有一個回調方法的情形,如果有多個回調方法,需要針對每一個回調方法提供一個類成員函數指針。那么有沒有方法既能實現與接口類解耦,又能適用于多個回調方法的場景呢?參考下面介紹的非侵入式接口。
四 非侵入式接口
Rust中的Trait功能非常強大,可以在類外面,不修改類代碼,實現一個Trait,那么C++能否實現Rust的Trait的功能呢?還是以Network接口為例,假設現在Network發送需要考慮序列化,重新設計Network接口,示例如下:
定義Serializable接口:
class Serializable { public:virtual void serialize(std::string& buffer) const = 0; };Network接口示例:
class Network { public:bool send(const char* host, uint16_t port, const Serializable& s); }Serializable接口相當于Rust中的Trait,現在一切實現了Serializable接口的類的對象均可以通過Network接口發送。那么問題來了,能否在不修改類的定義的同時,實現Serializable接口呢?假如我們要通過Network發送int類型的數據,能否做到呢?答案是肯定的:
1. class IntSerializable : public Serializable { public:IntSerializable(const int* i) :intThis(i){}IntSerializable(const int& i) :intThis(&i){}virtual void serialize(std::string& buffer) const override {buffer += std::to_string(*intThis);}private:const int* const intThis; };有了實現了Serializable接口的IntSerializable,就可以實現通過Network發送int類型的數據了:
Network* network = Network::New(); int i = 1; network->send(ip, port, IntSerializable(i));Rust編譯器通過impl關鍵字記錄了每個類實現了哪些Trait,因此在賦值時編譯器可以自動實現將對象轉換為相應的Trait類型,但C++編譯器并沒有記錄這些轉換信息,需要手動轉換類型。
非侵入式接口讓類和接口區分開來,類中的數據只有成員變量,不包含虛函數表指針,類不會因為實現了N個接口而引入N個虛函數表指針;而接口中只有虛函數表指針,不包含數據成員,類和接口之間通過實現類進行類型轉換,實現類充當了類與接口之間的橋梁。類只有在充當接口用的時候才會引入虛函數表指針,不充當接口用的時候沒有虛函數表指針,更符合C++的零開銷原則。
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