从纯虚类到普通类：提升C++ ABI兼容性的策略

在C++编程中，纯虚类（也被称为抽象类）通常用于定义接口，而普通类则包含具体的实现。然而，在某些情况下，将纯虚类转换为普通类并提供默认实现，可以显著提升应用程序二进制接口（ABI）的兼容性。本文将深入探讨这一策略，解释其背后的理论依据，对比纯虚类与普通类的优缺点，并展示相应的应用场景和代码示例。

一、理论依据

在C++中，每个包含虚函数的类都有一个与之关联的虚函数表（vtable）。这个表包含了指向该类所有虚函数的指针。当类被继承时，派生类的vtable会继承基类的vtable，并添加自己的虚函数。如果基类中的虚函数签名发生变化（例如添加新的纯虚函数），那么派生类的vtable也会相应地改变，这可能导致二进制不兼容。

通过为纯虚函数提供默认实现，我们实际上是在基类中定义了一个具体的函数体。这样，即使我们在基类中添加了新的虚函数或改变了现有虚函数的行为，只要这些变化不影响到已经发布的二进制版本，就不会影响派生类的vtable布局。因此，这种方法有助于保持旧版本库与新版本库之间的二进制兼容性。

提高二进制兼容性和减少编译依赖方面同样可参考： 设计模式-PIMPL 模式

二、纯虚类 vs 普通类：优缺点对比

1. 纯虚类（抽象类）

• 优点：

  • 强制实现：确保所有派生类都必须提供特定功能的实现。
  • 明确接口：清晰地表达了这是一个接口，不允许实例化。

• 缺点：

  • ABI 不兼容：任何对虚函数的更改都会导致派生类的vtable变化，可能引起二进制不兼容。
  • 无默认行为：不能为接口提供默认实现，除非将其变为非纯虚函数。

2. 普通类

• 优点：

  • 默认实现：可以为接口提供默认实现，便于维护和扩展。
  • ABI 兼容性：通过提供默认实现，减少了vtable变化的可能性，提高了二进制兼容性。

• 缺点：

  • 可能允许实例化：如果不小心，可能会实例化这个类，尽管它本来应该作为接口使用（可以通过将构造函数设为protected或private来避免）。
  • 接口不够明确：不如纯虚类那样直观地表达这是一个接口（可以通过命名约定和文档来弥补）。

三、应用场景

• 长期维护的库：对于需要长期维护并可能有多个版本同时使用的库来说，提供默认实现可以减少更新带来的风险，保护现有的二进制接口。
• 框架和插件系统：在框架或插件系统中，提供默认实现可以让开发者更容易地扩展系统，同时保持系统的稳定性和一致性。
• 跨平台开发：在不同平台上编译和链接代码时，确保二进制兼容性是非常重要的，尤其是在使用静态库的时候。

四、代码示例

以下是一个简单的代码示例，展示了如何将纯虚类转换为包含默认实现的普通类。

// 纯虚类（接口）定义
class IShape {
public:virtual ~IShape() = default;virtual double area() const = 0; // 纯虚函数virtual double perimeter() const = 0; // 纯虚函数
};// 具体实现类（圆形）
class Circle : public IShape {
public:Circle(double radius) : radius_(radius) {}double area() const override { return 3.141592653589793 * radius_ * radius_; }double perimeter() const override { return 2 * 3.141592653589793 * radius_; }
private:double radius_;
};// 转换为包含默认实现的普通类
class Shape {
public:virtual ~Shape() = default;virtual double area() const { return 0.0; } // 默认实现virtual double perimeter() const { return 0.0; } // 默认实现
};// 具体实现类（矩形，继承自普通类）
class Rectangle : public Shape {
public:Rectangle(double width, double height) : width_(width), height_(height) {}double area() const override { return width_ * height_; }double perimeter() const override { return 2 * (width_ + height_); }
private:double width_;double height_;
};

在这个例子中，IShape是一个纯虚类接口，定义了area和perimeter两个纯虚函数。Circle类实现了这个接口。然后，我们将IShape转换为一个包含默认实现的普通类Shape，并添加了一个具体实现类Rectangle。在Shape类中，area和perimeter函数有默认实现，这意味着任何继承自Shape的类都可以选择性地覆盖这些函数。

五、注意事项

虽然这种方法有助于提高ABI兼容性，但它并不能完全消除所有可能的二进制不兼容问题。例如，如果修改了类的数据成员或改变了非虚函数的行为，仍然可能会导致二进制不兼容。因此，在设计库时，应当综合考虑各种因素，以确保最佳的兼容性和稳定性。