第31條： 要努力減少文件間的編譯依賴
為了更新某個類的某個功能實現(xiàn)，你可能需要在浩瀚 C++ 的代碼中做出一個細(xì)小的修改，要提醒你的是，修改的地方不是類接口，而是實現(xiàn)本身，并且僅僅是私有成員。完成修改之后，你需要對程序進(jìn)行重新構(gòu)建，這時你肯定會認(rèn)為這一過程將十分短暫，畢竟你只對一個類做出了修改。當(dāng)你按下“構(gòu)建”按鈕，或輸入 make 命令（或者其他什么等價的操作）之后，你驚呆了，然后你就會陷入困惑中，因為你發(fā)現(xiàn)一切代碼都重新編譯并重新鏈接了！所發(fā)生的事情難道不會讓你感到不快嗎？
問題的癥結(jié)在于： C++ 并不擅長區(qū)分接口和實現(xiàn)。一個類的定義不僅指定了類接口的內(nèi)容，而且指明了相當(dāng)數(shù)量的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。請看下面的示例：
class Person {
public:
Person(const std::string& name, const Date& birthday,
const Address& addr);
std::string name() const;
std::string birthDate() const;
std::string address() const;
...
private:
std::string theName; // 具體實現(xiàn)
Date theBirthDate; // 具體實現(xiàn)
Address theAddress; // 具體實現(xiàn)
};
這里，如果無法訪問 Person 具體實現(xiàn)所使用的類（也就是 string 、 Date 盒 Address ）定義，那么 Person 類將不能夠得到編譯。通常這些定義通過 #include 指令來提供，因此在定義 Person 類的文件中，你應(yīng)該能夠找到這樣的內(nèi)容：
#include <string>
#include "date.h"
#include "address.h"
不幸的是，這樣做使得定義 Person 的文件對這些頭文件產(chǎn)生了依賴。如果任一個頭文件的內(nèi)容被修改了，或者這些頭文件所依賴的另外某個頭文件被修改，那么包含 Person 類的文件就必須重新編譯，有多少個文件包含 Person ，就要進(jìn)行多少次編譯操作。這種瀑布式的編譯依賴將招致無法估量的災(zāi)難式的后果。
你可能會考慮：為什么 C++ 堅持要將類具體實現(xiàn)的細(xì)節(jié)放在類定義中呢？假如說，如果我們換一種方式定義 Person ，單獨(dú)編寫類的具體實現(xiàn)，結(jié)果又會怎樣呢？
namespace std {
class string; // 前置聲明 ( 這個是非法的，參見下文 )
}
class Date; // 前置聲明
class Address; // 前置聲明
class Person {
public:
Person(const std::string& name, const Date& birthday,
const Address& addr);
std::string name() const;
std::string birthDate() const;
std::string address() const;
...
};
如果這樣可行，那么對于 Person 的客戶端程序員來說，僅在類接口有改動時，才需要進(jìn)行重新編譯。
這種想法存在著兩個問題。首先， string 不是一個類，它是一個 typedef （ typedef basic_string<char> string ）。于是，針對 string 的前置聲明就是非法的。實際上恰當(dāng)?shù)那爸寐暶饕獜?fù)雜的多，因為它涉及到其他的模板。然而這不是主要問題，因為你本來就不應(yīng)該嘗試手工聲明標(biāo)準(zhǔn)庫的內(nèi)容。僅僅使用恰當(dāng)?shù)?/span> #include 指令就可以了。標(biāo)準(zhǔn)頭文件一般都不會成為編譯中的瓶頸，尤其是在你的編譯環(huán)境允許你利用事先編譯好的頭文件時更為突出。如果分析標(biāo)準(zhǔn)頭文件對你來說的確是件麻煩事，那么你可能就需要改變你的接口設(shè)計，避免去使用那些會帶來多余 #include 指令的標(biāo)準(zhǔn)類成員。
對所有的類做前置聲明會遇到的第二個（同時也是更顯著的）難題是：在編譯過程中，編譯器需要知道對象的大小。請觀察下面的代碼：
int main()
{
int x; // 定義一個 int
Person p( params ); // 定義一個 Person
...
}
當(dāng)編譯器看到了 x 的定義時，它們就知道該為其分配足夠的內(nèi)存空間（通常位于棧中）以保存一個 int 值。這里沒有問題。每一種編譯器都知道 int 的大小。當(dāng)編譯器看到 p 的定義時，他們知道該為其分配足夠的空間以容納一個 Person ，但是他們又如何得知 Person 對象的大小呢？得到這一信息的唯一途徑就是通過類定義，但是如果允許類定義省略具體實現(xiàn)的細(xì)節(jié)，那么編譯器又如何得知需要分配多大空間呢？
同樣的問題不會在 Smalltalk 和 Java 中出現(xiàn)，因為在這些語言中，每當(dāng)定義一個對象時，編譯器僅僅分配指向該對象指針大小的空間。也就是說，在這些語言中，上面的代碼將做如下的處理：
int main()
{
int x; // 定義一個 int
Person *p; // 定義一個 Person
...
}
當(dāng)然，這段代碼在 C++ 中是合法的，于是你可以自己通過“將對象實現(xiàn)隱藏在指針之后”來玩轉(zhuǎn)前置聲明。對于 Person 而言，實現(xiàn)方法之一就是將其分別放在兩個類中，一個只提供接口，另一個存放接口對應(yīng)的具體實現(xiàn)。暫且將具體實現(xiàn)類命名為 PersonImpl ， Person 類的定義應(yīng)該是這樣的：
#include <string> // 標(biāo)準(zhǔn)庫成員，不允許對其進(jìn)行前置聲明
#include <memory> // 為使用 tr1::shared_ptr; 稍后介紹
class PersonImpl; // Person 實現(xiàn)類的前置聲明
class Date; // Person 接口中使用的類的前置聲明
class Address;
class Person {
public:
Person(const std::string& name, const Date& birthday,
const Address& addr);
std::string name() const;
std::string birthDate() const;
std::string address() const;
...
private: // 指向?qū)崿F(xiàn)的指針
std::tr1::shared_ptr<PersonImpl> pImpl;
}; // 關(guān)于 std::tr1::shared_ptr 的更多信息，參見 13 條
在這里，主要的類（ Person ）僅僅包括一個數(shù)據(jù)成員——一個指向其實現(xiàn)類（ PersonImpl ）的指針（這里是一個 tr1::shared_ptr ，參見第 13 條），其他什么也沒有。我們通常將這樣的設(shè)計稱為 pimpl idiom （指向?qū)崿F(xiàn)的指針）。在這樣的類中，指針名通常為 pImpl ，就像上面代碼中一樣。
通過這樣的設(shè)計， Person 的客戶端程序員將會與日期、地址和人這些信息隔離開。你可以隨時修改這些類的具體實現(xiàn)，但是 Person 的客戶端程序員不需要重新編譯。另外，由于客戶端程序員無法得知 Person 的具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)，他們就不容易編寫出依賴于這些細(xì)節(jié)的代碼。這樣做真正起到了分離接口和實現(xiàn)的目的。
這項分離工作的關(guān)鍵所在，就是用聲明的依賴來取代定義的依賴。這就是最小化編譯依賴的核心所在：只要可行，就要將頭文件設(shè)計成自給自足的，如果不可行，那么就依賴于其他文件中的聲明語句，而不是定義。其他一切事情都應(yīng)遵從這一基本策略。于是有：
l 只要使用對象的引用或指針可行時，就不要使用對象。 只要簡單地通過類型聲明，你就可以定義出類型的引用和指針。反觀定義類型對象的情形，你就必須要進(jìn)行類型定義了。
l 只要可行，就用類聲明依賴的方式取代類定義依賴。 請注意你在使用一個類時，如果你需要聲明一個函數(shù)，那么在任何情況下定義出這個類都不是必須的。即使這個函數(shù)以傳值方式傳遞或返回這個類的對象：
class Date; // 類聲明
Date today(); // 這樣是可行的
void clearAppointments(Date d);// 但并沒有必要對 Date 類做出定義
當(dāng)然，傳值方式在通常情況下都不會是優(yōu)秀的方案，但是如果你發(fā)現(xiàn)某些情景下不得不使用傳值方式時，就會引入不必要的編譯依賴，你依然難擇其咎。
在不定 義 Date 的具體實現(xiàn)的情況下，就可以聲明 today 和 clearAppointments ， C++ 的這 一能力恐怕會讓你感到吃驚，但是實際上這一行為又沒有想象中那么古怪。如果代碼中任意一處調(diào)用了這些函數(shù)，那 么在這次調(diào)用前的某處必須要對 Date 進(jìn)行 定義。此時你又有了新的疑問：為什么我們要聲明沒有人調(diào)用的函數(shù)呢 , 這不是多此一舉嗎？這一疑問的答案很簡單：這種函數(shù)并不是沒有人調(diào)用，而是不是所有人都會去調(diào)用。假設(shè)你的庫中包含許多函數(shù)聲明，這并不意味著每一位客戶端程序員都會使用到所有的函數(shù)。上文的做法中，提供類定義的職責(zé)將從頭文件中的函數(shù)聲明轉(zhuǎn)向客戶端文件中包含的函數(shù)調(diào)用，通過這一過程，你就排除了手工造成的客戶端類定義依賴，這些依賴實際上是多余的。
l 為聲明和定義分別提供頭文件。 為了進(jìn)一步貫徹上文中的思想，頭文件必須要一分為二：一個存放聲明，另一個存放定義。當(dāng)然這些文件必須保持相互協(xié)調(diào)。如果某處的一個聲明被修改了，那么相應(yīng)的定義處就必須做出相應(yīng)的修改。于是，庫的客戶端程序員就應(yīng)該始終使用 #include 指令 來包含一個聲明頭文件，而不是自己進(jìn)行前置聲明，類創(chuàng)建者應(yīng)提供兩個頭文件。比如說 ，在 Date 的 客戶端程序員需要聲明 today 和 clearAppointments 時，就應(yīng)該無需向上文中那樣， 對 Date 進(jìn) 行前置聲明。更好的方案是用 #include 指令來引入恰當(dāng)?shù)穆暶黝^文件：
#include "datefwd.h" // 包含 Date 類聲明 ( 而不是定義 ) 的頭文件
Date today(); // 同上
void clearAppointments(Date d);
頭文件“ datefwd.h ”中僅包含聲明，這一名字來源于 C++ 標(biāo)準(zhǔn)庫中的 <iosfwd> （參見第 54 條）。 <iosfwd> 包含著 IO 流組件的聲明，這些 IO 流組件相應(yīng)的定義分別存放在不同的幾個頭文件中，包括： <sstream> 、 <streambuf> 、 <fstream> 以及 <iostream> 。
從另一個角度來講，使用 <iosfwd> 作示例也是頗有裨益的，因為它告訴我們本節(jié)中的建議不僅對非模板的類有效，而且對模板同樣適用。盡管在第 30 條中分析過，在許多構(gòu)建環(huán)境中，模板定義通常保存在頭文件中，一些構(gòu)建環(huán)境中還是允許將模板定義放置在非頭文件的代碼文件里，因此提供為模板提供僅包含聲明的頭文件并不是沒有意義的。 <iosfwd> 就是這樣一個頭文件。
C++ 提供了 export 關(guān)鍵字，它用于分離模板聲明和模板定義。但是遺憾的是，編譯器對 export 的支持是十分有限的，實際操作中 export 更似雞肋。因此在高效 C++ 編程中， export 究竟扮演什么角色，討論這個問題還為時尚早。
諸如 Person 此類使用 pimpl idiom 的類通常稱為句柄類。為了避免你對這樣的類如何完成這些工作產(chǎn)生疑問，一個途徑就是將類中所有的函數(shù)調(diào)用放在相關(guān)的具體實現(xiàn)類之前，并且讓這些具體實現(xiàn)類去做真實的工作。請看下面的示例，其中演示了 Person 的成員函數(shù)應(yīng)該如何實現(xiàn)：
#include "Person.h" // 我們將編寫 Person 類的具體實現(xiàn)，
// 因此此處必須包含類定義。
#include "PersonImpl.h" // 同時，此處必須包含 PersonImpl 的類定義，
// 否則我們將不能調(diào)用它的成員函數(shù)；請注意，
// PersonImpl 擁有與 Person 完全一致的成員
// 函數(shù) - 也就是說，它們的接口是一致的。
Person::Person(const std::string& name, const Date& birthday,
const Address& addr)
: pImpl(new PersonImpl(name, birthday, addr))
{}
std::string Person::name() const
{
return pImpl->name();
}
請注 意下面兩個問題： Person 的構(gòu)造函數(shù)是如何調(diào)用 PersonImpl 的構(gòu)造函 數(shù)的（通過使 用 new - 參見第 16 條），以及 Person::name 是如何調(diào)用 PersonImpl :: name 的。這兩點(diǎn)很重要。將 Person 定制為一個句柄類并不會改變它所做的事情，這樣做僅僅改變它做事情的方式。
除了句柄類的方法，我們還可以采用一種稱為“接口類”的方法來講 Person 定制為特種的抽象基類。這種類的目的就是為派生類指定一個接口（參見第 34 條）。于是，通常情況下它沒有數(shù)據(jù)成員，沒有構(gòu)造函數(shù)，但是擁有一個虛析構(gòu)函數(shù)（參見第 7 條），以及一組指定接口用的純虛函數(shù)。
接口類與 Java 和 .NET 中的接口一脈相承，但是 C++ 并沒有像 Java 和 .NET 中那樣對接口做出非常嚴(yán)格的限定。比如說，無論是 Java 還是 .NET 都不允許接口中出現(xiàn)數(shù)據(jù)成員或者函數(shù)實現(xiàn)，但是 C++ 對這些都沒有做出限定。 C++ 所擁有的更強(qiáng)的機(jī)動靈活性是非常有用的。就像第 36 條中所解釋的那樣，由于非虛函數(shù)的具體實現(xiàn)對于同一層次中所有的類都應(yīng)該保持一致，因此不妨將這些函數(shù)實現(xiàn)放置在聲明它們的接口類中，這樣做是有意義的，
Person 的接口類可以是這樣的：
class Person {
public:
virtual ~Person();
virtual std::string name() const = 0;
virtual std::string birthDate() const = 0;
virtual std::string address() const = 0;
...
};
這個類的客戶端程序員必須要基于 Person 的指針和引用來編寫程序，因為實例化一個包含純虛函數(shù)的類是不可能的。（然而，實例化一個繼承自 Person 的類卻是可行的—參見下文。）就像句柄類的客戶端程序員一樣，接口類客戶端程序員除非遇到接口類的接口有改動的情況，其他任何情況都不需要對代碼進(jìn)行重新編譯。
接口類的客戶端程序員必須有一個創(chuàng)建新對象的手段。通常情況下，它們可以通過調(diào)用真正被實例化的派生類中的一個函數(shù)來實現(xiàn)，這個函數(shù)扮演的角色就是派生類的構(gòu)造函數(shù)。這樣的函數(shù)通常被稱作工廠函數(shù)（參見第 13 條）或者虛構(gòu)造函數(shù)。這種函數(shù)返回一個指向動態(tài)分配對象的指針（最好是智能指針—參見第 18 條），這些動態(tài)分配的對象支持接口類的接口。這樣的函數(shù)通常位于接口類中，并且聲明為 static 的：
class Person {
public:
...
static std::tr1::shared_ptr<Person>// 返回一個 tr1::shared_ptr ，
create(const std::string& name, // 它指向一個 Person 對象，這個
const Date& birthday, // Person 對象由給定的參數(shù)初始化，
const Address& addr); // 為什么返回智能指針參見第 18 條
...
};
客戶端程序員這樣使用：
std::string name;
Date dateOfBirth;
Address address;
...
// 創(chuàng)建一個支持 Person 接口的對象
std::tr1::shared_ptr<Person> pp(Person::create(name, dateOfBirth, address));
...
std::cout << pp->name() // 通過 Person 的接口使用這一對象
<< " was born on "
<< pp->birthDate()
<< " and now lives at "
<< pp->address();
... // 當(dāng)程序執(zhí)行到 pp 的作用域之外時，
// 這一對象將被自動刪除—參見第 13 條
當(dāng)然，與此同時，必須要對支持接口類的接口的具體類進(jìn)行定義，并且必須有真實的構(gòu)造函數(shù)得到調(diào)用。比如說，接口類 Person 必須有一個具體的派生類 RealPerson ，它應(yīng)當(dāng)為其繼承而來的虛函數(shù)提供具體實現(xiàn)：
class RealPerson: public Person {
public:
RealPerson(const std::string& name, const Date& birthday,
const Address& addr)
: theName(name), theBirthDate(birthday), theAddress(addr)
{}
virtual ~RealPerson() {}
std::string name() const; // 這里省略了這些函數(shù)的具體實現(xiàn)，
std::string birthDate() const;// 但是很容易想象它們是什么樣子。
std::string address() const;
private:
std::string theName;
Date theBirthDate;
Address theAddress;
};
有 了 RealPerson ，編寫 Person::create 就如 探囊取物一般：
std::tr1::shared_ptr<Person> Person::create(const std::string& name,
const Date& birthday,
const Address& addr)
{
return std::tr1::shared_ptr<Person>(new RealPerson(name, birthday,addr));
}
Person::create 還有可以以一個更加貼近現(xiàn)實的方法來實現(xiàn)，它應(yīng)能夠創(chuàng)建不同種類的派生類對象，創(chuàng)建的過程基于某些相關(guān)信息，例如：新加入的函數(shù)的參數(shù)值、從一個文件或數(shù)據(jù)庫中得到讀到的數(shù)值，環(huán)境變量，等等。
RealPerson 向我們展示了實現(xiàn)接口類的兩種通用的實現(xiàn)機(jī)制之一：它的接口規(guī)范繼 承自接口 類（ Person ） ，然后實現(xiàn)接口中的函數(shù)。第二種實現(xiàn)接口類的方法牽扯到多重繼承，那是第 40 條中探索的主題。
句柄類和接口類將接口從實現(xiàn)中分離開來，因此降低了文件間的編譯依賴。如果你是一個喜歡吹毛求疵的人，那么你一定又在想法挖苦本屆的思想了：“做了這么多變魔術(shù)般古怪的事情，我又能得到什么呢？”這個問題的答案就是計算機(jī)科學(xué)中極為普遍的一個議題：你的程序在運(yùn)行時更慢了一步，另外，每個對象所占的空間更大了一點(diǎn)。
使用句柄類的情況下，成員函數(shù)必須通過實現(xiàn)指針來取得對象的數(shù)據(jù)。這樣無形中增加了每次訪問時迂回的層數(shù)。同時，實現(xiàn)指針?biāo)赶虻膶ο笏嫉目臻g更大了一些，你必須要考慮這一問題。最后，你必須要對實現(xiàn)指針進(jìn)行初始化（在句柄類的構(gòu)造函數(shù)中），以便于將其指向一個動態(tài)分配的實現(xiàn)對象，于是你就必須自己承擔(dān)動態(tài)內(nèi)存分配（以及相關(guān)的釋放）內(nèi)在的開銷以及遭遇 bad_alloc （內(nèi)存越界）異常的可能性。
由于對于接口類來說每次函數(shù)調(diào)用都是虛擬的，因此你在每調(diào)用一次函數(shù)的過程中你就會為其付出一次間接跳轉(zhuǎn) 的代價（參見第 7 條）。同時，派生自接口類的對象必須包含一個虛 函數(shù)表指針（依然參見第 7 條）。這一指針也可能會使保存一個對象所需要的空間加大，這取決于接口類是否是該對象中虛函數(shù)的唯一來源。
最后，無論是句柄類還是接口類，都不適合于過多使用內(nèi)聯(lián)。句柄和接口類都是特別設(shè)計用來隱藏諸如函數(shù)體等具體實現(xiàn)內(nèi)容的。
然而，僅僅由于句柄類和接口類會帶來一些額外的開銷而遠(yuǎn)離它們，這樣的做法存在致命的錯誤。虛函數(shù)也一樣，你并不希望忽略這些問題，是嗎？（如果你真希望忽略些問題，那么你可能看錯書了。）你應(yīng)該把使用這些技術(shù)看作一個革命性的手段。在開發(fā)過層中，使用句柄類和接口類，來減少在具體實現(xiàn)有改動時為客戶端程序員帶來的影響。在程序的速度和 / 或大小的變動太大，足以體現(xiàn)出類之間所增加的耦合度時，還是可以適時使用具體的類來取代句柄類和接口類。
銘記在心
l 最小化編譯依賴的基本理念就是使用聲明依賴代替定義依賴。基于這一理念有兩種實現(xiàn)方式，它們是：句柄類和接口類。
l 庫頭文件必須以完整、并且僅存在聲明的形式出現(xiàn)。無論是否涉及模板。