簡介：程序開發(fā)的時候經(jīng)常會使用到接口。眾所周知，C++語言層面并沒有接口的概念，但并不意味著C++不能實現(xiàn)接口的功能。相反，正是由于C++語言沒有提供標準的接口，導(dǎo)致實際實現(xiàn)接口的方法多種多樣。那么C++有哪些實現(xiàn)接口的方法呢，不同的方法又適用于哪些場景呢？本文分享在C++接口工程實踐上的一些探索心得。

一 接口的分類

接口按照功能劃分可以分為調(diào)用接口與回調(diào)接口：

調(diào)用接口

一段代碼、一個模塊、一個程序庫、一個服務(wù)等（后面都稱為系統(tǒng)），對外提供什么功能，以接口的形式暴露出來，用戶只需要關(guān)心接口怎么調(diào)用，不用關(guān)心具體的實現(xiàn)，即可使用這些功能。這類被用戶調(diào)用的接口，稱為調(diào)用接口。

調(diào)用接口的主要作用是解耦，對用戶隱藏實現(xiàn)，用戶只需要關(guān)心接口的形式，不用關(guān)心具體的實現(xiàn)，只要保持接口的兼容性，實現(xiàn)上的修改或者升級對用戶無感知。解耦之后也方便多人合作開發(fā)，設(shè)計好接口之后，各模塊只通過接口進行交互，各自完成各自的模塊即可。

回調(diào)接口

系統(tǒng)定義接口，由用戶實現(xiàn)，注冊到系統(tǒng)中，系統(tǒng)有異步事件需要通知用戶時，回調(diào)用戶注冊的接口實現(xiàn)。系統(tǒng)定義接口的形式，但無需關(guān)心接口的實現(xiàn)，而是接受用戶的注冊，并在適當?shù)臅r機調(diào)用。這類由系統(tǒng)定義，用戶實現(xiàn)，被系統(tǒng)調(diào)用的接口，稱為回調(diào)接口。

回調(diào)接口的主要作用是異步通知，系統(tǒng)定義好通知的接口，并在適當?shù)臅r機發(fā)出通知，用戶接收通知，并執(zhí)行相應(yīng)的動作，用戶動作執(zhí)行完后控制權(quán)交還給系統(tǒng)，用戶動作可以給系統(tǒng)返回一些數(shù)據(jù)，以決定系統(tǒng)后續(xù)的行為。

二 調(diào)用接口

我們以一個Network接口為例，說明C++中的調(diào)用接口的定義及實現(xiàn)，示例如下：

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

Network接口現(xiàn)在只需要一個send接口，可以向指定地址發(fā)送消息。下面我們用不同的方法來定義Network接口。

虛函數(shù)

虛函數(shù)是定義C++接口最直接的方式，使用虛函數(shù)定義Network接口類如下：

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); }

將send定義為純虛函數(shù)，讓子類去實現(xiàn)，子類不對外暴露，提供靜態(tài)方法New來創(chuàng)建子類對象，并以父類Network的指針形式返回。接口的設(shè)計一般遵循對象在哪創(chuàng)建就在哪銷毀的原則，因此提供靜態(tài)的Delete方法來銷毀對象。因為對象的銷毀封裝在接口內(nèi)部，因此Network接口類可以不用虛析構(gòu)函數(shù)。

使用虛函數(shù)定義接口簡單直接，但是有很多弊端：

• 虛函數(shù)開銷：虛函數(shù)調(diào)用需要使用虛函數(shù)表指針間接調(diào)用，運行時才能決定調(diào)用哪個函數(shù)，無法在編譯鏈接期間內(nèi)聯(lián)優(yōu)化。實際上調(diào)用接口在編譯期間就能確定調(diào)用哪個函數(shù)，無需虛函數(shù)的動態(tài)特性。

• 二進制兼容：由于虛函數(shù)是按照索引查詢虛函數(shù)表來調(diào)用，增加虛函數(shù)會造成索引變化，新接口不能在二進制層面兼容老接口，而且由于用戶可能繼承了Network接口類，在末尾增加虛函數(shù)也有風險，因此虛函數(shù)接口一經(jīng)發(fā)布，難以修改。

指向?qū)崿F(xiàn)的指針

指向?qū)崿F(xiàn)的指針是C++比較推薦的定義接口的方式，使用指向?qū)崿F(xiàn)的指針定義Network接口類如下：

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

Network的實現(xiàn)通過impl指針轉(zhuǎn)發(fā)給NetworkImpl，NetworkImpl使用前置聲明，實現(xiàn)對用戶隱藏。使用指向?qū)崿F(xiàn)的指針的方式定義接口，接口類對象的創(chuàng)建和銷毀可以由用戶負責，因此用戶可以選擇將Network類的對象創(chuàng)建在棧上，生命周期自動管理。

使用指向?qū)崿F(xiàn)的指針定義接口具有良好的通用性，用戶能夠直接創(chuàng)建和銷毀接口對象，并且增加新的接口函數(shù)不影響二進制兼容性，便于系統(tǒng)的演進。

指向?qū)崿F(xiàn)的指針增加了一層調(diào)用，盡管對性能的影響幾乎可以忽略不計，但不太符合C++的零開銷原則，那么問題來了，C++能否實現(xiàn)零開銷的接口呢？當然可以，即下面要介紹的隱藏的子類。

隱藏的子類

隱藏的子類可以實現(xiàn)零開銷的接口，思想非常簡單。調(diào)用接口要實現(xiàn)的目標是解耦，主要就是隱藏實現(xiàn)，也即隱藏接口類的成員變量，如果能將接口類的成員變量都移到另一個隱藏的實現(xiàn)類中，接口類就不需要任何成員變量，也就實現(xiàn)了隱藏實現(xiàn)的目的。隱藏的子類就是這個隱藏的實現(xiàn)類，使用隱藏的子類定義Network接口類如下：

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接口類只有成員函數(shù)（非虛函數(shù)），沒有成員變量，并且構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)都申明為protected。提供靜態(tài)方法New創(chuàng)建對象，靜態(tài)方法Delete銷毀對象。New方法的實現(xiàn)中創(chuàng)建隱藏的子類NetworkImpl的對象，并以父類Network指針的形式返回。NetworkImpl類中存放Network類的成員變量，并將Network類聲明為friend：

class NetworkImpl : public Network {friend class Network;private://Network類的成員變量 }

Network的實現(xiàn)中，創(chuàng)建隱藏的子類NetworkImpl的對象，并以父類Network指針的形式返回，通過將this強制轉(zhuǎn)換為NetworkImpl的指針，訪問成員變量：

bool Network::send(const char* host, uint16_t port, const std::string& message) {NetworkImpl* impl = (NetworkImpl*)this;//通過impl訪問成員變量，實現(xiàn)Network }static Network* New() {return new NetworkImpl(); }static void Delete(Network* network) {delete (NetworkImpl*)network; }

使用隱藏的子類定義接口同樣具有良好的通用性和二進制兼容性，同時沒有增加任何開銷，符合C++的零開銷原則。

三 回調(diào)接口

同樣以Network接口為例，說明C++中的回調(diào)接口的定義及實現(xiàn)，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); }

現(xiàn)在Network需要增加接收消息的功能，增加Listener接口類，由用戶實現(xiàn)，并注冊其對象到Network中后，當有消息到達時，回調(diào)Listener的onReceive方法。

虛函數(shù)

使用虛函數(shù)定義Network接口類如下：

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); }

將onReceive定義為純虛函數(shù)，由用戶繼承實現(xiàn)，由于多態(tài)的存在，回調(diào)的是實現(xiàn)類的方法。

使用虛函數(shù)定義回調(diào)接口簡單直接，但同樣存在和調(diào)用接口中使用虛函數(shù)同樣的弊端：虛函數(shù)調(diào)用開銷，二進制兼容性差。

函數(shù)指針

函數(shù)指針是C語言的方式，使用函數(shù)指針定義Network接口類如下：

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); }

使用函數(shù)指針定義C++回調(diào)接口簡單高效，但只適用于回調(diào)接口中只有一個回調(diào)函數(shù)的情形，如果Listener接口類中要增加onConnect，onDisconnect等回調(diào)方法，單個函數(shù)指針無法實現(xiàn)。另外函數(shù)指針不太符合面向?qū)ο蟮乃枷?#xff0c;可以換成下面要介紹的std::function。

std::function

std::function提供對可調(diào)用對象的抽象，可封裝簽名相符的任意的可調(diào)用對象。使用std::function定義Network接口類如下：

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可以很好的取代函數(shù)指針，配合std::bind，具有很好的通用性，因而被廣受推崇。但std::function同樣只適用于回調(diào)接口中只有一個回調(diào)方法的情形。另外，std::function比較重量級，使用上面的便利卻會帶來了性能上的損失，有人做過性能對比測試，std::function大概比普通函數(shù)慢6倍以上，比虛函數(shù)還慢。

類成員函數(shù)指針

類成員函數(shù)指針的使用比較靈活，使用類成員函數(shù)指針定義Network接口類如下：

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);} }

因為類成員函數(shù)指針必須和類對象一起使用，所以Network的注冊接口需要同時提供對象指針和成員函數(shù)指針，registerListener模板函數(shù)可注冊任意類的對象和相應(yīng)符合簽名的方法，無需繼承Listener，與接口類解耦。

使用類成員函數(shù)指針定義C++回調(diào)接口靈活高效，可實現(xiàn)與接口類解耦，并且不破壞面向?qū)ο筇匦?#xff0c;可很好的取代傳統(tǒng)的函數(shù)指針的方式。

類成員函數(shù)指針同樣只適用于回調(diào)接口中只有一個回調(diào)方法的情形，如果有多個回調(diào)方法，需要針對每一個回調(diào)方法提供一個類成員函數(shù)指針。那么有沒有方法既能實現(xiàn)與接口類解耦，又能適用于多個回調(diào)方法的場景呢？參考下面介紹的非侵入式接口。

四 非侵入式接口

Rust中的Trait功能非常強大，可以在類外面，不修改類代碼，實現(xiàn)一個Trait，那么C++能否實現(xiàn)Rust的Trait的功能呢？還是以Network接口為例，假設(shè)現(xiàn)在Network發(fā)送需要考慮序列化，重新設(shè)計Network接口，示例如下：

定義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接口相當于Rust中的Trait，現(xiàn)在一切實現(xiàn)了Serializable接口的類的對象均可以通過Network接口發(fā)送。那么問題來了，能否在不修改類的定義的同時，實現(xiàn)Serializable接口呢？假如我們要通過Network發(fā)送int類型的數(shù)據(jù)，能否做到呢？答案是肯定的：

1. 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; };

有了實現(xiàn)了Serializable接口的IntSerializable，就可以實現(xiàn)通過Network發(fā)送int類型的數(shù)據(jù)了：

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

Rust編譯器通過impl關(guān)鍵字記錄了每個類實現(xiàn)了哪些Trait，因此在賦值時編譯器可以自動實現(xiàn)將對象轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的Trait類型，但C++編譯器并沒有記錄這些轉(zhuǎn)換信息，需要手動轉(zhuǎn)換類型。

非侵入式接口讓類和接口區(qū)分開來，類中的數(shù)據(jù)只有成員變量，不包含虛函數(shù)表指針，類不會因為實現(xiàn)了N個接口而引入N個虛函數(shù)表指針；而接口中只有虛函數(shù)表指針，不包含數(shù)據(jù)成員，類和接口之間通過實現(xiàn)類進行類型轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)類充當了類與接口之間的橋梁。類只有在充當接口用的時候才會引入虛函數(shù)表指針，不充當接口用的時候沒有虛函數(shù)表指針，更符合C++的零開銷原則。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的C++接口工程实践：有哪些实现方法？的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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