C++接口工程实践:有哪些实现方法?

Wesley13
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C++接口工程实践:有哪些实现方法?

程序开发的时候经常会使用到接口。众所周知,C++语言层面并没有接口的概念,但并不意味着C++不能实现接口的功能。相反,正是由于C++语言没有提供标准的接口,导致实际实现接口的方法多种多样。那么C++有哪些实现接口的方法呢,不同的方法又适用于哪些场景呢?本文分享在C++接口工程实践上的一些探索心得。

程序开发的时候经常会使用到接口。众所周知,C++语言层面并没有接口的概念,但并不意味着C++不能实现接口的功能。相反,正是由于C++语言没有提供标准的接口,导致实际实现接口的方法多种多样。那么C++有哪些实现接口的方法呢,不同的方法又适用于哪些场景呢?本文分享在C++接口工程实践上的一些探索心得。

一 接口的分类

接口按照功能划分可以分为调用接口与回调接口:

调用接口

一段代码、一个模块、一个程序库、一个服务等(后面都称为系统),对外提供什么功能,以接口的形式暴露出来,用户只需要关心接口怎么调用,不用关心具体的实现,即可使用这些功能。这类被用户调用的接口,称为调用接口。

调用接口的主要作用是解耦,对用户隐藏实现,用户只需要关心接口的形式,不用关心具体的实现,只要保持接口的兼容性,实现上的修改或者升级对用户无感知。解耦之后也方便多人合作开发,设计好接口之后,各模块只通过接口进行交互,各自完成各自的模块即可。

回调接口

系统定义接口,由用户实现,注册到系统中,系统有异步事件需要通知用户时,回调用户注册的接口实现。系统定义接口的形式,但无需关心接口的实现,而是接受用户的注册,并在适当的时机调用。这类由系统定义,用户实现,被系统调用的接口,称为回调接口。

回调接口的主要作用是异步通知,系统定义好通知的接口,并在适当的时机发出通知,用户接收通知,并执行相应的动作,用户动作执行完后控制权交还给系统,用户动作可以给系统返回一些数据,以决定系统后续的行为。

二 调用接口

我们以一个Network接口为例,说明C++中的调用接口的定义及实现,示例如下:

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

Network接口现在只需要一个send接口,可以向指定地址发送消息。下面我们用不同的方法来定义Network接口。

虚函数

虚函数是定义C++接口最直接的方式,使用虚函数定义Network接口类如下:

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); 
}

将send定义为纯虚函数,让子类去实现,子类不对外暴露,提供静态方法New来创建子类对象,并以父类Network的指针形式返回。接口的设计一般遵循对象在哪创建就在哪销毁的原则,因此提供静态的Delete方法来销毁对象。因为对象的销毁封装在接口内部,因此Network接口类可以不用虚析构函数。

使用虚函数定义接口简单直接,但是有很多弊端:

  • 虚函数开销:虚函数调用需要使用虚函数表指针间接调用,运行时才能决定调用哪个函数,无法在编译链接期间内联优化。实际上调用接口在编译期间就能确定调用哪个函数,无需虚函数的动态特性。

  • 二进制兼容:由于虚函数是按照索引查询虚函数表来调用,增加虚函数会造成索引变化,新接口不能在二进制层面兼容老接口,而且由于用户可能继承了Network接口类,在末尾增加虚函数也有风险,因此虚函数接口一经发布,难以修改。

指向实现的指针

指向实现的指针是C++比较推荐的定义接口的方式,使用指向实现的指针定义Network接口类如下:

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

Network的实现通过impl指针转发给NetworkImpl,NetworkImpl使用前置声明,实现对用户隐藏。使用指向实现的指针的方式定义接口,接口类对象的创建和销毁可以由用户负责,因此用户可以选择将Network类的对象创建在栈上,生命周期自动管理。

使用指向实现的指针定义接口具有良好的通用性,用户能够直接创建和销毁接口对象,并且增加新的接口函数不影响二进制兼容性,便于系统的演进。

指向实现的指针增加了一层调用,尽管对性能的影响几乎可以忽略不计,但不太符合C++的零开销原则,那么问题来了,C++能否实现零开销的接口呢?当然可以,即下面要介绍的隐藏的子类。

隐藏的子类

隐藏的子类可以实现零开销的接口,思想非常简单。调用接口要实现的目标是解耦,主要就是隐藏实现,也即隐藏接口类的成员变量,如果能将接口类的成员变量都移到另一个隐藏的实现类中,接口类就不需要任何成员变量,也就实现了隐藏实现的目的。隐藏的子类就是这个隐藏的实现类,使用隐藏的子类定义Network接口类如下:

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接口类只有成员函数(非虚函数),没有成员变量,并且构造函数和析构函数都申明为protected。提供静态方法New创建对象,静态方法Delete销毁对象。New方法的实现中创建隐藏的子类NetworkImpl的对象,并以父类Network指针的形式返回。NetworkImpl类中存放Network类的成员变量,并将Network类声明为friend:

class NetworkImpl : public Network 
{ 
    friend class Network; 
 
private: 
    //Network类的成员变量 
}

Network的实现中,创建隐藏的子类NetworkImpl的对象,并以父类Network指针的形式返回,通过将this强制转换为NetworkImpl的指针,访问成员变量:

bool Network::send(const char* host,  
                   uint16_t port,  
                   const std::string& message) 
{ 
    NetworkImpl* impl = (NetworkImpl*)this; 
    //通过impl访问成员变量,实现Network 
} 
 
static Network* New() 
{ 
    return new NetworkImpl(); 
} 
 
static void Delete(Network* network) 
{ 
    delete (NetworkImpl*)network; 
}

使用隐藏的子类定义接口同样具有良好的通用性和二进制兼容性,同时没有增加任何开销,符合C++的零开销原则。

三 回调接口

同样以Network接口为例,说明C++中的回调接口的定义及实现,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); 
}

现在Network需要增加接收消息的功能,增加Listener接口类,由用户实现,并注册其对象到Network中后,当有消息到达时,回调Listener的onReceive方法。

虚函数

使用虚函数定义Network接口类如下:

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); 
}

将onReceive定义为纯虚函数,由用户继承实现,由于多态的存在,回调的是实现类的方法。

使用虚函数定义回调接口简单直接,但同样存在和调用接口中使用虚函数同样的弊端:虚函数调用开销,二进制兼容性差。

函数指针

函数指针是C语言的方式,使用函数指针定义Network接口类如下:

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); 
}

使用函数指针定义C++回调接口简单高效,但只适用于回调接口中只有一个回调函数的情形,如果Listener接口类中要增加onConnect,onDisconnect等回调方法,单个函数指针无法实现。另外函数指针不太符合面向对象的思想,可以换成下面要介绍的std::function。

std::function

std::function提供对可调用对象的抽象,可封装签名相符的任意的可调用对象。使用std::function定义Network接口类如下:

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可以很好的取代函数指针,配合std::bind,具有很好的通用性,因而被广受推崇。但std::function同样只适用于回调接口中只有一个回调方法的情形。另外,std::function比较重量级,使用上面的便利却会带来了性能上的损失,有人做过性能对比测试,std::function大概比普通函数慢6倍以上,比虚函数还慢。

类成员函数指针

类成员函数指针的使用比较灵活,使用类成员函数指针定义Network接口类如下:

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); 
    } 
}

因为类成员函数指针必须和类对象一起使用,所以Network的注册接口需要同时提供对象指针和成员函数指针,registerListener模板函数可注册任意类的对象和相应符合签名的方法,无需继承Listener,与接口类解耦。

使用类成员函数指针定义C++回调接口灵活高效,可实现与接口类解耦,并且不破坏面向对象特性,可很好的取代传统的函数指针的方式。

类成员函数指针同样只适用于回调接口中只有一个回调方法的情形,如果有多个回调方法,需要针对每一个回调方法提供一个类成员函数指针。那么有没有方法既能实现与接口类解耦,又能适用于多个回调方法的场景呢?参考下面介绍的非侵入式接口。

四 非侵入式接口

Rust中的Trait功能非常强大,可以在类外面,不修改类代码,实现一个Trait,那么C++能否实现Rust的Trait的功能呢?还是以Network接口为例,假设现在Network发送需要考虑序列化,重新设计Network接口,示例如下:

定义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接口相当于Rust中的Trait,现在一切实现了Serializable接口的类的对象均可以通过Network接口发送。那么问题来了,能否在不修改类的定义的同时,实现Serializable接口呢?假如我们要通过Network发送int类型的数据,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; 
};

有了实现了Serializable接口的IntSerializable,就可以实现通过Network发送int类型的数据了:

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

Rust编译器通过impl关键字记录了每个类实现了哪些Trait,因此在赋值时编译器可以自动实现将对象转换为相应的Trait类型,但C++编译器并没有记录这些转换信息,需要手动转换类型。

非侵入式接口让类和接口区分开来,类中的数据只有成员变量,不包含虚函数表指针,类不会因为实现了N个接口而引入N个虚函数表指针;而接口中只有虚函数表指针,不包含数据成员,类和接口之间通过实现类进行类型转换,实现类充当了类与接口之间的桥梁。类只有在充当接口用的时候才会引入虚函数表指针,不充当接口用的时候没有虚函数表指针,更符合C++的零开销原则。

【本文为51CTO专栏作者“阿里巴巴官方技术”原创稿件,转载请联系原作者】

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