C++接口工程实践

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简介：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和回调接口：

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。

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。