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条款34: 将文件间的编译依赖性降至最低

class Person {public:  Person(const string& name, const Date& birthday,         const Address& addr, const Country& country);  virtual ~Person();  ...                      // 简化起见,省略了拷贝构造                           // 函数和赋值运算符函数  string name() const;  string birthDate() const;  string address() const;  string nationality() const;private:  string name_;            // 实现细节  Date birthDate_;         // 实现细节  Address address_;        // 实现细节  Country citizenship_;    // 实现细节};

Person的实现用到了一些类,即string, Date,Address和Country;Person要想被编译,就得让编译器能够访问得到这些类的定义。这样的定义一般是通过#include指令来提供的,所以在定义Person类的文件头部,可以看到象下面这样的语句:

#include <string>           // 用于string类型 (参见条款49)#include "date.h"#include "address.h"#include "country.h"

遗憾的是,这样一来,定义Person的文件和这些头文件之间就建立了编译依赖关系。所以如果任一个辅助类(即string, Date,Address和Country)改变了它的实现,或任一个辅助类所依赖的类改变了实现,包含Person类的文件以及任何使用了Person类的文件就必须重新编译。对于Person类的用户来说,这实在是令人讨厌,因为这种情况用户绝对是束手无策。

那么,你一定会奇怪为什么C++一定要将一个类的实现细节放在类的定义中。例如,为什么不能象下面这样定义Person,使得类的实现细节与之分开呢?

class string;         // "概念上" 提前声明string 类型                      // 详见条款49class Date;           // 提前声明class Address;        // 提前声明class Country;        // 提前声明class Person {public:  Person(const string& name, const Date& birthday,         const Address& addr, const Country& country);  virtual ~Person();  ...                      // 拷贝构造函数, operator=  string name() const;  string birthDate() const;  string address() const;  string nationality() const;};

如果这种方法可行的话,那么除非类的接口改变,否则Person 的用户就不需要重新编译。大系统的开发过程中,在开始类的具体实现之前,接口往往基本趋于固定,所以这种接口和实现的分离将大大节省重新编译和链接所花的时间。

可惜的是,现实总是和理想相抵触,看看下面你就会认同这一点:

int main(){  int x;                      // 定义一个int  Person p(...);              // 定义一个Person                              // (为简化省略参数)  ... }

当看到x的定义时,编译器知道必须为它分配一个int大小的内存。这没问题,每个编译器都知道一个int有多大。然而,当看到p的定义时,编译器虽然知道必须为它分配一个Person大小的内存,但怎么知道一个Person对象有多大呢?唯一的途径是借助类的定义,但如果类的定义可以合法地省略实现细节,编译器怎么知道该分配多大的内存呢?

原则上说,这个问题不难解决。当定义一个对象时,只分配足够容纳这个对象的一个指针的空间。也就是说,对应于上面的代码,就象这样做:

int main(){  int x;                     // 定义一个int  Person *p;                 // 定义一个Person指针       ...}

实现Person接口和实现的分离的技术:

首先,在声明Person类的头文件中只放下面的东西:

// 编译器还是要知道这些类型名,// 因为Person的构造函数要用到它们class string;      // 对标准string来说这样做不对,                   // 原因参见条款49class Date;class Address;class Country;// 类PersonImpl将包含Person对象的实// 现细节,此处只是类名的提前声明class PersonImpl;class Person {public:  Person(const string& name, const Date& birthday,         const Address& addr, const Country& country);  virtual ~Person();  ...                               // 拷贝构造函数, operator=  string name() const;  string birthDate() const;  string address() const;  string nationality() const;private:  PersonImpl *impl;                 // 指向具体的实现类};

现在Person的用户程序完全和string,date,address,country以及person的实现细节分家了。那些类可以随意修改,而Person的用户却落得个自得其乐,不闻不问。更确切的说,它们可以不需要重新编译。另外,因为看不到Person的实现细节,用户不可能写出依赖这些细节的代码。这是真正的接口和实现的分离。

为了降低编译依赖性,我们只要知道这么一条就足够了:只要有可能,尽量让头文件不要依赖于别的文件;如果不可能,就借助于类的声明,不要依靠类的定义。其它一切方法都源于这一简单的设计思想。

下面就是这一思想直接深化后的含义:

· 如果可以使用对象的引用和指针,就要避免使用对象本身。定义某个类型的引用和指针只会涉及到这个类型的声明。定义此类型的对象则需要类型定义的参与。

· 尽可能使用类的声明,而不使用类的定义。因为在声明一个函数时,如果用到某个类,是绝对不需要这个类的定义的,即使函数是通过传值来传递和返回这个类:

  class Date;                    // 类的声明  Date returnADate();            // 正确 ---- 不需要Date的定义  void takeADate(Date d);     

不要在头文件中再(通过#include指令)包含其它头文件,除非缺少了它们就不能编译。相反,要一个一个地声明所需要的类,让使用这个头文件的用户自己(通过#include指令)去包含其它的头文件,以使用户代码最终得以通过编译。

Person类仅仅用一个指针来指向某个不确定的实现,这样的类常常被称为句炳类(Handle class)或信封类(Envelope class)。(对于它们所指向的类来说,前一种情况下对应的叫法是主体类(Body class);后一种情况下则叫信件类(Letter class)。)

你一定会好奇句炳类实际上都做了些什么。答案很简单:它只是把所有的函数调用都转移到了对应的主体类中,主体类真正完成工作。例如,下面是Person的两个成员函数的实现:

#include "Person.h"          // 因为是在实现Person类,                             // 所以必须包含类的定义#include "PersonImpl.h"      // 也必须包含PersonImpl类的定义,                             // 否则不能调用它的成员函数。                             // 注意PersonImpl和Person含有一样的                             // 成员函数,它们的接口完全相同Person::Person(const string& name, const Date& birthday,               const Address& addr, const Country& country){  impl = new PersonImpl(name, birthday, addr, country);}string Person::name() const{  return impl->name();}

请注意Person的构造函数怎样调用PersonImpl的构造函数(隐式地以new来调用,参见条款5和M8)以及Person::name怎么调用PersonImpl::name。这很重要。使Person成为一个句柄类并不改变Person类的行为,改变的只是行为执行的地点。

除了句柄类,另一选择是使Person成为一种特殊类型的抽象基类,称为协议类(Protocol class)。根据定义,协议类没有实现;它存在的目的是为派生类确定一个接口(参见条款36)。所以,它一般没有数据成员,没有构造函数;有一个虚析构函数(见条款14),还有一套纯虚函数,用于制定接口。Person的协议类看起来会象下面这样:

class Person {public:  virtual ~Person();  virtual string name() const = 0;  virtual string birthDate() const = 0;  virtual string address() const = 0;  virtual string nationality() const = 0;};

Person类的用户必须通过Person的指针和引用来使用它,因为实例化一个包含纯虚函数的类是不可能的(但是,可以实例化Person的派生类----参见下文)。和句柄类的用户一样,协议类的用户只是在类的接口被修改的情况下才需要重新编译。