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《C++API设计》读书笔记（3）：模式

news 2025/12/22 5:03:47

本章内容

本章涵盖了一些与C++API设计相关的设计模式和惯用法。

“设计模式(Design Pattern)”表示软件设计问题的一些通用解决方案。该术语来源于《设计模式：可复用面向对象软件的基础》（Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software）

本书不会涵盖所有模式，只讨论一些和API设计有关的。
还会涉及一些C++的惯用法，它们并非是真正的通用设计模式，但却是C++API设计的重要技巧。
本章讨论的技巧如下：

1. Pimpl

Pimpl 意思是 Pointer to Implementation，指向实现的指针。
（Pimpl 不是严格意义上的“设计模式”，而是受制于C++语法特定限制的变通方案，可以看作是桥接设计模式的一种特例）

它主要解决的是C++语法中的一个问题：类的private成员其实只在内部使用，但是在定义时还需要写在.h文件中公开。因此，Pimpl 的做法是只在.h中定义一个指向实现的指针，那就可以将一些private成员放在.cpp中的实现中，这样就在.h文件中隐藏了private成员。
举例：
在这里插入图片描述

使用Pimpl的方法

举例代码：
.h文件中：

class AutoTimer
{
public:explicit AutoTimer();~AutoTimer();
private:class Impl;Impl* mImpl;
}

随后，在.cpp中可以定义Impl类并实现具体的逻辑。

一个值得考虑的设计问题是：Impl类中放置多少逻辑？有以下选择：

仅私有变量
私有变量+私有方法
公有类的所有方法。（而共有类的方法只是对Impl类中方法的简单包装）

每种选择都适应于不同情况。一般情况下推荐 2 。

另外，使用 Pimpl 时需要注意：

virtual 函数不能放在Impl类中，否则公有类的子类无法继承。
Impl类可能还需要一个公有类的指针以方便其调用公有类的方法。

使用Pimpl的类的复制

使用 Pimpl 的类无法进行默认的复制，因为复制出的对象会和原对象指向同一个Impl类变量。
这个问题有两种方法解决：

禁止复制
显示定义复制语义

Pimpl与智能指针

使用 Pimpl 时容易犯错的一点是：构造时忘记分配它，析构时忘记销毁它。
为此，可以采用智能指针或者作用域指针。

Pimpl的优点

信息隐藏。
降低耦合
加速编译
更好的二进制兼容性。（就算Impl类实现发生变化，公用类的对象也不会改变二进制数据）
惰性分配（可以选择只在需要时分配）

Pimpl的缺点

额外的分配与销毁Impl类对象会增加性能开销。
给开发者带来了不便：很多函数调用时需要加上mImpl->，如果Impl类需要调用公有类的方法也需要通过指针。
编译器不能再检查const：Impl类的成员更改，公有类的const无法检查出。

2. 单例

“单例”设计模式确保一个类仅存在一个实例，并提供唯一的全局访问点。

它可以看作是一种更优雅的全局变量，但是相比全局变量有一些优点：

确保这个类只能创建一个实例。
控制对象的分配与销毁。
可以支持线程安全。
避免污染全局命名空间。

其基本实现很简单，而本篇重点讨论的是：

如何更健壮地实现。
它也有些缺点，但很多人都有滥用单例的趋向。为此这里也提供一些替代方法。

在C++中实现单例

其基本实现很简单：

class Singleton 
{
public:static Singleton &GetInstance();
};

Singleton &Singleton::GetInstance()
{static Singleton instance;return instance;
}

有一些做法可以增加健壮性：

声明私有默认构造函数：防止用户创建新的实例。
声明私有复制构造函数和赋值操作：防止用户复制。
声明私有析构函数：防止用户删除。
GetInstance()返回引用而非指针：防止用户删除。

单例的线程安全

上面的 GetInstance() 并非线程安全的。

常规的处理方式是加互斥锁。但这样会增加开销。
要优化此类激进的加锁行为，可以采用DCLP（Double Check Locking Pattern），即加互斥锁前先判断instance是否存在。
但是DCLP不能保证任何编译器和处理器下都能正常工作。

所以，也许你不应该尝试保证GetInstance()是线程安全的（毕竟对使用C++这样对并发缺乏内在支持的语言来说，实现线程安全总会遇到这些困难）。如果你真的需要它线程安全并且性能最高，可以考虑避免惰性实例化模型（即不要在需要他时再实例化），比如：

静态初始化：在cpp文件中main函数调用之前调用GetInstance()。
显式API初始化：在一开始就调用GetInstance()，调用时可以加互斥锁。而GetInstance()的内部就不用加互斥锁了。

替代方案：依赖注入

初始化时传入需要的实例的指针，而不是内部再使用GetInstance()获得实例。

替代方案：单一状态

假设状态的初始化不需要控制，或者不需要使用单例对象存储，那么就可以使用“单一状态”，即：
类本身不保持是单例，但是其所有成员(或者说“状态”)都是static。

替代方案：会话上下文

《设计模式》作者指出，单例有可能导致拙劣的设计。使用时候需要思考，“单例”是否真的是正确的模式？

需求是会变的，未来有些对象可能会需要支持多个实例。

因此，需要尽早考虑引入 “会话(session)” 或 “上下文(context)” 的概念。这是在强调：使用单一的实例维护所有相关的状态，而非使用多个单例。

3. 工厂模式

工厂模式是关于创建的设计模式，本质上是构造函数的泛化，可以回避C++构造函数的限制：

没有返回值。这样无法返回错误等其他信号。
命名限制。这样相同参数的构造函数只能有一个。
静态绑定创建。这样无法在运行时动态决定类型。
不允许虚构造函数。限制同上。

从使用层面上看，工厂方法仅是一个普通的方法，调用时返回对应类的实例：

class RendererFactory
{
public:IRenderer* CreateRenderer(string type)
}

但这里的 IRenderer 是一个抽象基类(Abstract Base Class，简称ABC)。抽象基类是包含纯虚函数的类，不能被实例化。（另外要注意，抽象基类的析构函数需要声明为虚的）。

这样，用户可以使用参数动态决定要创建的类型。

另外作为扩展，可以让工厂类提供注册函数，这样用户可以自己添加新的类型

static void RegisterRender(string type, CreateCallback cb);

4. API包装器

基于另一组API来包装接口是一项常见的API设计任务。比如，你在维护一个遗留的代码库，相比重构代码，你更愿意封装一套新的，更简洁的API，以隐藏所有的底层遗留代码。

下面，按照包装器层和原始接口的差异程度递增地划分：

4.1 代理（Proxy）

一对一地，将函数调用转发到具有相同形式的另一个接口。

案例：

实现原始对象的惰性实例。
实现对原始对象的访问控制。
支持 “调试” 模式或者 “演习(DryRun)” 模式。
保证原始对象的线程安全
可以让多个代理对象共享相同的原始对象。
应对原始对象将来被修改的情况。

4.2 适配器

一对一地，将接口转换为一个兼容但是不完全相同的另一个接口。

优点：

可以转换数据类型。
强制API始终保持一致性。
包装API的依赖库

4.3 外观模式

外观模式能够为一组类提供简化的接口。它实际上定义了一个更高层次的接口，使得底层类更易于使用且对用户隐藏。
（一个例子：用一个“酒店助手类”简化了“预定房间”、“预定晚餐”、“预定出租车”等事务。）

用途：

隐藏遗留代码。
创建更便捷的API。
支持简化功能或替代功能的API。

5. 观察者模式

观察者模式为了解决这样的问题：
实现复杂的任务通常需要多个对象一起合作完成。为了让A可以调用B，较为简单的方法就是A.cpp包含B.h，但是这样产生了编译时依赖，迫使想要复用A时也必须引入B。

观察者模式就是 “发布/订阅” 范式的一个具体实例。

实现观察者模式的典型做法是引入两个概念：

Subject，主体，也就是发布者。
Observer，观察者，也就是订阅者。

代码上，Subject仅知道Observer接口类即IObserver，他将维护IObserver列表

class IObserver
{virtual void Update() = 0;
}class ISubject
{
std::vector<IObserver*> ObserverList
}

随后，观察者通过继承IObserver来实现观察者对象。

然后，在使用时，Subject就可以订阅(Subscribe)若干Observer，并在需要的时候通知(Notify)它们。

这样，Subject和Observer就没有编译时依赖关系，它们的关系是运行时动态创建的。