C++接口工程實(shí)踐：有哪些實(shí)現(xiàn)方法？

作者：阿里技術(shù) 2020-09-03 08:09:15

程序開發(fā)的時(shí)候經(jīng)常會(huì)使用到接口。眾所周知，C++語言層面并沒有接口的概念，但并不意味著C++不能實(shí)現(xiàn)接口的功能。

程序開發(fā)的時(shí)候經(jīng)常會(huì)使用到接口。眾所周知，C++語言層面并沒有接口的概念，但并不意味著C++不能實(shí)現(xiàn)接口的功能。相反，正是由于C++語言沒有提供標(biāo)準(zhǔn)的接口，導(dǎo)致實(shí)際實(shí)現(xiàn)接口的方法多種多樣。那么C++有哪些實(shí)現(xiàn)接口的方法呢，不同的方法又適用于哪些場(chǎng)景呢？本文分享在C++接口工程實(shí)踐上的一些探索心得。

程序開發(fā)的時(shí)候經(jīng)常會(huì)使用到接口。眾所周知，C++語言層面并沒有接口的概念，但并不意味著C++不能實(shí)現(xiàn)接口的功能。相反，正是由于C++語言沒有提供標(biāo)準(zhǔn)的接口，導(dǎo)致實(shí)際實(shí)現(xiàn)接口的方法多種多樣。那么C++有哪些實(shí)現(xiàn)接口的方法呢，不同的方法又適用于哪些場(chǎng)景呢?本文分享在C++接口工程實(shí)踐上的一些探索心得。

一接口的分類

接口按照功能劃分可以分為調(diào)用接口與回調(diào)接口：

調(diào)用接口

一段代碼、一個(gè)模塊、一個(gè)程序庫、一個(gè)服務(wù)等(后面都稱為系統(tǒng))，對(duì)外提供什么功能，以接口的形式暴露出來，用戶只需要關(guān)心接口怎么調(diào)用，不用關(guān)心具體的實(shí)現(xiàn)，即可使用這些功能。這類被用戶調(diào)用的接口，稱為調(diào)用接口。

調(diào)用接口的主要作用是解耦，對(duì)用戶隱藏實(shí)現(xiàn)，用戶只需要關(guān)心接口的形式，不用關(guān)心具體的實(shí)現(xiàn)，只要保持接口的兼容性，實(shí)現(xiàn)上的修改或者升級(jí)對(duì)用戶無感知。解耦之后也方便多人合作開發(fā)，設(shè)計(jì)好接口之后，各模塊只通過接口進(jìn)行交互，各自完成各自的模塊即可。

回調(diào)接口

系統(tǒng)定義接口，由用戶實(shí)現(xiàn)，注冊(cè)到系統(tǒng)中，系統(tǒng)有異步事件需要通知用戶時(shí)，回調(diào)用戶注冊(cè)的接口實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)定義接口的形式，但無需關(guān)心接口的實(shí)現(xiàn)，而是接受用戶的注冊(cè)，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)調(diào)用。這類由系統(tǒng)定義，用戶實(shí)現(xiàn)，被系統(tǒng)調(diào)用的接口，稱為回調(diào)接口。

回調(diào)接口的主要作用是異步通知，系統(tǒng)定義好通知的接口，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)發(fā)出通知，用戶接收通知，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，用戶動(dòng)作執(zhí)行完后控制權(quán)交還給系統(tǒng)，用戶動(dòng)作可以給系統(tǒng)返回一些數(shù)據(jù)，以決定系統(tǒng)后續(xù)的行為。

二調(diào)用接口

我們以一個(gè)Network接口為例，說明C++中的調(diào)用接口的定義及實(shí)現(xiàn)，示例如下：

class Network 
 { 
 public: 
     bool send(const char* host,  
               uint16_t port,  
               const std::string& message); 
 }

Network接口現(xiàn)在只需要一個(gè)send接口，可以向指定地址發(fā)送消息。下面我們用不同的方法來定義Network接口。

虛函數(shù)

虛函數(shù)是定義C++接口最直接的方式，使用虛函數(shù)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(shù)，讓子類去實(shí)現(xiàn)，子類不對(duì)外暴露，提供靜態(tài)方法New來創(chuàng)建子類對(duì)象，并以父類Network的指針形式返回。接口的設(shè)計(jì)一般遵循對(duì)象在哪創(chuàng)建就在哪銷毀的原則，因此提供靜態(tài)的Delete方法來銷毀對(duì)象。因?yàn)閷?duì)象的銷毀封裝在接口內(nèi)部，因此Network接口類可以不用虛析構(gòu)函數(shù)。

使用虛函數(shù)定義接口簡(jiǎn)單直接，但是有很多弊端：

虛函數(shù)開銷：虛函數(shù)調(diào)用需要使用虛函數(shù)表指針間接調(diào)用，運(yùn)行時(shí)才能決定調(diào)用哪個(gè)函數(shù)，無法在編譯鏈接期間內(nèi)聯(lián)優(yōu)化。實(shí)際上調(diào)用接口在編譯期間就能確定調(diào)用哪個(gè)函數(shù)，無需虛函數(shù)的動(dòng)態(tài)特性。
二進(jìn)制兼容：由于虛函數(shù)是按照索引查詢虛函數(shù)表來調(diào)用，增加虛函數(shù)會(huì)造成索引變化，新接口不能在二進(jìn)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(shù)也有風(fēng)險(xiǎn)，因此虛函數(shù)接口一經(jīng)發(fā)布，難以修改。

指向?qū)崿F(xiàn)的指針

指向?qū)崿F(xiàn)的指針是C++比較推薦的定義接口的方式，使用指向?qū)崿F(xiàn)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(shí)現(xiàn)通過impl指針轉(zhuǎn)發(fā)給NetworkImpl，NetworkImpl使用前置聲明，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶隱藏。使用指向?qū)崿F(xiàn)的指針的方式定義接口，接口類對(duì)象的創(chuàng)建和銷毀可以由用戶負(fù)責(zé)，因此用戶可以選擇將Network類的對(duì)象創(chuàng)建在棧上，生命周期自動(dòng)管理。

使用指向?qū)崿F(xiàn)的指針定義接口具有良好的通用性，用戶能夠直接創(chuàng)建和銷毀接口對(duì)象，并且增加新的接口函數(shù)不影響二進(jìn)制兼容性，便于系統(tǒng)的演進(jìn)。

指向?qū)崿F(xiàn)的指針增加了一層調(diào)用，盡管對(duì)性能的影響幾乎可以忽略不計(jì)，但不太符合C++的零開銷原則，那么問題來了，C++能否實(shí)現(xiàn)零開銷的接口呢?當(dāng)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(shí)現(xiàn)零開銷的接口，思想非常簡(jiǎn)單。調(diào)用接口要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是解耦，主要就是隱藏實(shí)現(xiàn)，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(gè)隱藏的實(shí)現(xiàn)類中，接口類就不需要任何成員變量，也就實(shí)現(xiàn)了隱藏實(shí)現(xiàn)的目的。隱藏的子類就是這個(gè)隱藏的實(shí)現(xiàn)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(shù)(非虛函數(shù))，沒有成員變量，并且構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)都申明為protected。提供靜態(tài)方法New創(chuàng)建對(duì)象，靜態(tài)方法Delete銷毀對(duì)象。New方法的實(shí)現(xiàn)中創(chuàng)建隱藏的子類NetworkImpl的對(duì)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(shí)現(xiàn)中，創(chuàng)建隱藏的子類NetworkImpl的對(duì)象，并以父類Network指針的形式返回，通過將this強(qiáng)制轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)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(jìn)制兼容性，同時(shí)沒有增加任何開銷，符合C++的零開銷原則。

三回調(diào)接口

同樣以Network接口為例，說明C++中的回調(diào)接口的定義及實(shí)現(xiàn)，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(xiàn)在Network需要增加接收消息的功能，增加Listener接口類，由用戶實(shí)現(xiàn)，并注冊(cè)其對(duì)象到Network中后，當(dāng)有消息到達(dá)時(shí)，回調(diào)Listener的onReceive方法。

虛函數(shù)

使用虛函數(shù)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(shù)，由用戶繼承實(shí)現(xiàn)，由于多態(tài)的存在，回調(diào)的是實(shí)現(xiàn)類的方法。

使用虛函數(shù)定義回調(diào)接口簡(jiǎn)單直接，但同樣存在和調(diào)用接口中使用虛函數(shù)同樣的弊端：虛函數(shù)調(diào)用開銷，二進(jìn)制兼容性差。

函數(shù)指針

函數(shù)指針是C語言的方式，使用函數(shù)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(shù)指針定義C++回調(diào)接口簡(jiǎn)單高效，但只適用于回調(diào)接口中只有一個(gè)回調(diào)函數(shù)的情形，如果Listener接口類中要增加onConnect，onDisconnect等回調(diào)方法，單個(gè)函數(shù)指針無法實(shí)現(xiàn)。另外函數(shù)指針不太符合面向?qū)ο蟮乃枷耄梢該Q成下面要介紹的std::function。

std::function

std::function提供對(duì)可調(diào)用對(duì)象的抽象，可封裝簽名相符的任意的可調(diào)用對(duì)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(shù)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(diào)接口中只有一個(gè)回調(diào)方法的情形。另外，std::function比較重量級(jí)，使用上面的便利卻會(huì)帶來了性能上的損失，有人做過性能對(duì)比測(cè)試，std::function大概比普通函數(shù)慢6倍以上，比虛函數(shù)還慢。

類成員函數(shù)指針

類成員函數(shù)指針的使用比較靈活，使用類成員函數(shù)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?yàn)轭惓蓡T函數(shù)指針必須和類對(duì)象一起使用，所以Network的注冊(cè)接口需要同時(shí)提供對(duì)象指針和成員函數(shù)指針，registerListener模板函數(shù)可注冊(cè)任意類的對(duì)象和相應(yīng)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(shù)指針定義C++回調(diào)接口靈活高效，可實(shí)現(xiàn)與接口類解耦，并且不破壞面向?qū)ο筇匦裕珊芎玫娜〈鷤鹘y(tǒng)的函數(shù)指針的方式。

類成員函數(shù)指針同樣只適用于回調(diào)接口中只有一個(gè)回調(diào)方法的情形，如果有多個(gè)回調(diào)方法，需要針對(duì)每一個(gè)回調(diào)方法提供一個(gè)類成員函數(shù)指針。那么有沒有方法既能實(shí)現(xiàn)與接口類解耦，又能適用于多個(gè)回調(diào)方法的場(chǎng)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(qiáng)大，可以在類外面，不修改類代碼，實(shí)現(xiàn)一個(gè)Trait，那么C++能否實(shí)現(xiàn)Rust的Trait的功能呢?還是以Network接口為例，假設(shè)現(xiàn)在Network發(fā)送需要考慮序列化，重新設(shè)計(jì)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(dāng)于Rust中的Trait，現(xiàn)在一切實(shí)現(xiàn)了Serializable接口的類的對(duì)象均可以通過Network接口發(fā)送。那么問題來了，能否在不修改類的定義的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)Serializable接口呢?假如我們要通過Network發(fā)送int類型的數(shù)據(jù)，能否做到呢?答案是肯定的：

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(shí)現(xiàn)了Serializable接口的IntSerializable，就可以實(shí)現(xiàn)通過Network發(fā)送int類型的數(shù)據(jù)了：

Network* network = Network::New(); 
 int i = 1; 
 network->send(ip, port, IntSerializable(i));

Rust編譯器通過impl關(guān)鍵字記錄了每個(gè)類實(shí)現(xiàn)了哪些Trait，因此在賦值時(shí)編譯器可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)將對(duì)象轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的Trait類型，但C++編譯器并沒有記錄這些轉(zhuǎn)換信息，需要手動(dòng)轉(zhuǎn)換類型。

非侵入式接口讓類和接口區(qū)分開來，類中的數(shù)據(jù)只有成員變量，不包含虛函數(shù)表指針，類不會(huì)因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了N個(gè)接口而引入N個(gè)虛函數(shù)表指針;而接口中只有虛函數(shù)表指針，不包含數(shù)據(jù)成員，類和接口之間通過實(shí)現(xiàn)類進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)類充當(dāng)了類與接口之間的橋梁。類只有在充當(dāng)接口用的時(shí)候才會(huì)引入虛函數(shù)表指針，不充當(dāng)接口用的時(shí)候沒有虛函數(shù)表指針，更符合C++的零開銷原則。

【本文為51CTO專欄作者“阿里巴巴官方技術(shù)”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者】

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責(zé)任編輯：武曉燕來源： 51CTO專欄