C++的PIMPL模式解析

PIMPL(pointer to implementation)是一種常用的，用來對“類的接口與實現”進行解耦的方法。pimpl具有如下優點：

為了實現pimpl模式，我們先來看一種普通的類的設計方法。
假如我們要設計一書籍類Book，Book包含目錄屬性，並提供打印書籍信息的對外接口，Book設計如下：

class Book
{
public:
  void print();

private:
  std::string  m_Contents;
};

Book的使用者只需要知道print()接口，便可以使用Book類，看起來一切都很美好。
然而，當某一天，發現Book需要增加一標題屬性，對Book類的修改如下：

class Book
{
public:
  void print();

private:
  std::string  m_Contents;
  std::string  m_Title;
};

雖然使用print()接口仍然可以直接輸出書籍的信息，但是Book類的使用者卻不得不重新編譯所有包含Book類頭文件的代碼。
為了隱藏Book類的實現細節，實現接口與實現的真正分離，可以使用pimpl模式。
我們依然對Book類提供相同的接口，但Book類中不再包含原有的數據成員，其所有操作都由BookImpl類實現。

/* public.h */
#ifndef PUBLIC_H_INCLUDED
#define PUBLIC_H_INCLUDED

class Book
{
public:
  Book();
  ~Book();
  void print();

private:
  class BookImpl;  // Book實現類的前置聲明
  BookImpl* pimpl;
};

#endif

為簡單實現起見，Book類省略了拷貝構造函數和拷貝賦值函數。在實際應用中，應該對這兩個函數進行定義。
在對外的頭文件public.h中，只包含Book類的外部接口，將真正的實現細節被封裝到BookImpl類。為了不對外暴露BookImpl類，將其聲明為Book類的內嵌類，並聲明為private。

BookImpl類的頭文件如下。

/* private.h */
#ifndef PRIVATE_H_INCLUDED
#define PRIVATE_H_INCLUDED

#include public.h
#include 

class Book::BookImpl
{
public:
  void print();

private:
  std::string  m_Contents;
  std::string  m_Title;
};

#endif

private.h並不需要提供給Book類的使用者，因此，如果往後需要重新設計書籍類的屬性，外界對此一無所知，從而保持接口的不變性，並減少了文件之間的編譯依賴關系。

/* book.cpp */
#include private.h  // 我們需要調用BookImpl類的成員函數，
                      // 所以要包含BookImpl的定義頭文件
#include public.h  // 我們正在實現Book類，所以要包含Book類
                     // 的頭文件

Book::Book()
{
  pimpl = new BookImpl();
}

Book::~Book()
{
  delete pimpl;
}

void Book::print()
{
  pimpl->print();
}

/* BookImpl類的實現函數 */

void Book::BookImpl::print()
{
  std::cout << print from BookImpl << std::endl;
}

使用Book類的接口的方法如下：

/* main.cpp */
#include public.h

int main()
{
    Book book;
    book.print();

    return 0;
}

像Book類這樣使用pimpl的類，往往被稱為handle class，BookImpl類作為實現類，被稱為implementation class。
使用pimpl帶來的額外開銷包括，handle class成員函數的每次調用都必須通過implementation class，這會增加一層間接性，另外，每一個對象都增加了一個implementation class指針的大小。在實際中你需要對這些開銷進行權衡。

可以使用下圖來說明pimpl模式在以上Book類設計的作用：

由於pimpl解除了接口與實現之間的耦合關系，從而降低文件間的編譯依賴關系，pimpl也因此常被稱為“編譯期防火牆“ 。