C++面试题：实现Pimpl模式时特殊成员函数需定义在实现里

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定义：Pimpl模式是指pointer to implementation。也就是说将类Widget的实现完全放到另外一个类Impl里，而类Widget对外提供接口，这些接口的调用最终会通过Impl指针成员（裸指针或智能指针），调用相应的实现接口。

优势：这么做可以减少项目的依赖，进而减少不必要的编译。

一、使用裸指针实现Pimpl模式

// widget.h
class Widget {
public:
  Widget();
  ~Widget();
private:
  struct Impl;
  Impl *pImpl;
};

// widget.cpp
#include "widget.h"
#include "gadget.h"
#include <string>
#include <vector>
struct Widget::Impl {
  std::string name;
  std::vector<double> data;
  Gadget g1, g2, g3;
};
Widget::Widget() 
  :pImpl(new Impl) {}
Widget::~Widget() {
  delete pImpl;
}

假设widget.h会被100个cpp文件调用，当gadget.h变化时，编译器只会编译一个widget.cpp文件。如果没有采用Pimpl模式模式，那么最终编译器会编译101次。由此可见，Pimpl模式能减少编译的次数，进而加快编译速度！

但是，正如你看到的，你需要在构造函数和析构函数里操作（new和delete）裸指针。有没有更好的办法来构建和销毁Impl对象呢？答案是使用智能指针，首先我们看看使用unique_ptr会遇到的问题。

二、使用std::unique_ptr实现Pimpl模式

将以上例子的Impl*简单替换成std::unique_ptr，如下所示：

// widget.h
class Widget {
public:
  Widget();
private:
  struct Impl;
  std::unique_ptr<Impl> pImpl;
};

// widget.cpp
#include "widget.h"
#include "gadget.h"
#include <string>
#include <vector>
struct Widget::Impl {
  std::string name;
  std::vector<double> data;
  Gadget g1, g2, g3;
};
Widget::Widget() 
  :pImpl(std::make_unique<Impl>()) {}
}

// client.cpp
#include "widget.h"
Widget w; // 这里会报错！！

为什么在client.cpp里的调用会报错？根本原因在于std::unique_ptr的析构函数里调用了static_assert，该函数会在编译器间判断Impl的定义是否可见，而在client.cpp里，编译器只看到了Impl的前置声明，而没有完整的定义（完整的定义在widget.cpp里），因此编译器会报这种错误：在非完整型别上实施了sizeof或者delete。之所以会调用std::unique_ptr的析构函数，是因为编译器会自动生成Widget w的析构调用。

为了解决这个问题，我们需要把Widget的析构函数放到一个可以看得见Impl定义的地方，也就是widget.cpp。然而，当你在widget.cpp中定义Widget的析构函数时，编译器不会自动生成Widget的move操作，因此，你还需要在widget.cpp中定义Widget的move操作，如下所示：

// widget.h
class Widget {
public:
  Widget();
  ~Widget();
  Widget(Widget&& rhs); // 仅声明
  Widget operator=(Widget&& rhs);  // 仅声明
private:
  struct Impl;
  std::unique_ptr<Impl> pImpl;
};

// widget.cpp
Widget::Widget() 
  :pImpl(std::make_unique<Impl>()) {}
}
Widget::~Widget() = default;
Widget(Widget&& rhs) = default; // 注意！！
Widget operator=(Widget&& rhs) = default;

这里需要注意的是，把move操作的定义放到widget.h里也会出现同样的编译错误，为什么？原因有2个：1）当编译器遇到Widget(Widget&& rhs) = default，它会自动生成异常处理逻辑，而这段逻辑里会调用Widget的析构函数；2）当编译器遇到Widget operator=(Widget&& rhs) = default，它会自动生成一段代码：调用std::unique_ptr的析构函数来销毁pImpl，然后才完成赋值。

最后，由于std::unique_ptr是一个移动拷贝类型，因此，当你使用std::unique_ptr实现Pimpl模式时，需要实现深拷贝的copy操作。

三、使用std::shared_ptr实现Pimpl模式

std::shared_ptr实现Pimpl模式就容易多了。因为shared_ptr无需看见Impl的定义，所以编译器为Widget生成的析构函数就足够了。因为不需要手动定义Widget析构函数，因此编译器也会自动为Widget生成对应的移动操作。实现的细节如下：

// widget.h
class Widget {
public:
  Widget();
private:
  struct Impl;
  std::shared_ptr<Impl> pImpl;
};

// widget.cpp
Widget::Widget() 
  :pImpl(std::make_shared<Impl>()) {}
}

// client.cpp
Widget w1;
auto w2(std::move(w1)); // 会自动生成移动构造函数，所以这里是移动！！

为什么std::unique_ptr和std::shared_ptr在实现Pimpl会有如此大的区别？

因为，std::unique_ptr的delete操作是std::unique_ptr的一部分，而std::shared_ptr的delete操作不是std::shared_ptr类型的一部分。

聊完以上知识点，感觉自己的C++技能又提升了一点。希望以上剖析的思路，能有效地帮助你学习以下经典C++书籍。

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