C++ 类库隐藏私有属性和方法的两种方式

在我们编写程序的时候，会将程序模块化，常见的就是用动态链接库的方式，然后导出函数接口或者类。而对于导出类的方式，作为模块的实现者，不论是给第三方使用或者自己的项目使用，应该都不太愿意暴露自己的私有属性和方法，个人碰到的主要有以下两个常见原因：

1. 通过隐藏私有属性和方法，让被调用者猜不到其实现方式

2. 私有方法中或者属性中，可能会存在一些第三方的头文件或者库的依赖，而对于被调用方来说不应该直接依赖

本文将介绍两种方式来满足以上的需求，一种是抽象类，另一种是pimpl风格. 在找到解决方法的时候，你会发现这样的方式不仅仅满足了原先的需求，还买一赠一地带来了其他的优点。

例子

假设我们有一个DataAcquirer封装为一个动态链接库，用来获取数据的：那么以下代码有几个问题:

1. 其只需要暴露GetData这个方法给调用方，但是文件中还包含了头文件HttpClient.h 这个是调用方其实并不需要关心的，这就导致调用方还需要配置头文件的目录，有时候甚至还要配置这个间接依赖的库。那么就给调用方带来了不必要的依赖。

2. 有时候想要隐藏类的内部实现细节，但这里通过HttpClient m_pHttpClient私有属性和HttpResponseCode HttpDataGet()私有方法，那么调用方就可能猜到这个数据其实是通过http协议来获取的。

#include <string>
#include "HttpClient.h"

#ifdef DATA_ACQUIRER_DLL_EXPORT
#define DATA_ACQUIRER_DECL __declspec(dllexport)
#else
#define DATA_ACQUIRER_DECL __declspec(dllimport)
#endif

class DATA_ACQUIRER_DECL DataAcquirer
{
public:
  DataAcquirer();
  ~DataAcquirer();

public:
  const std::string GetData();

private:
  HttpResponseCode HttpDataGet();
  HttpClient m_pHttpClient;
};

用抽象类解决问题

如果你知道依赖倒置原则(Dependence Inversion Principle, DIP), 那应该知道，提供给调用方的时候高层模块依赖其抽象。在软件编写的时候，抽象是必不可少的，他可以降低我们依赖，也能够让我们更加清晰的定义更友好的接口。这个样例中，我们只需要提供GetData的方法/接口，那我们面向接口的设计如下面类图所示:

解释下上述的类图：

1. 调用者client操作的是DataAcquirerAbstract作为抽象类，利用多态实际的对象指向的是DataAcquirer

2. DataAcquirer通过工厂方法DataAcquirerFactory进行生产

DataAcquirerAbstract.h的内容如下, 声明抽象类:

#pragma once
#include <string>
class DataAcquirerAbstract
{
public:
  virtual const std::string GetData() = 0;
};

DataAcquirer.h的内容如下, 声明DataAcquirer :

#pragma once
#include <string>
#include "HttpClient.h"
#include "DataAcquirerAbstract.h"

class DataAcquirer : public DataAcquirerAbstract
{
public:
  DataAcquirer();
  ~DataAcquirer();

public:
  virtual const std::string GetData();

private:
  HttpResponseCode HttpDataGet();
  HttpClient m_pHttpClient;
};

工厂方法部分用于生产DataAcquirer，下面是DataAcquirerFactory .h文件:

#pragma once
#include <memory>
#include "Factory.h"
#include "DataAcquirerAbstract.h"

#ifdef DATA_ACQUIRER_DLL_EXPORT
#define DATA_ACQUIRER_DECL __declspec(dllexport)
#else
#define DATA_ACQUIRER_DECL __declspec(dllimport)
#endif

class DATA_ACQUIRER_DECL DataAcquirerFactory : public Factory
{
public:
  virtual std::unique_ptr<DataAcquirerAbstract> CreateDataAcquirer();
};

最后调用者只需要引用DataAcquirerAbstract和DataAcquirerFactory ，如下所示，DataAcquirer对于调用者来说是不可见的。

#include <string>
#include <memory>
#include "DataAcquirerAbstract.h"
#include "DataAcquirerFactory.h"
int main()
{
  std::unique_ptr<Factory> factory = std::make_unique<DataAcquirerFactory>();
  std::unique_ptr<DataAcquirerAbstract> pObj = factory->CreateDataAcquirer();
  std::string strData = pObj->GetData();
  //...  Do something else
  return 0;
}

用Pimpl风格解决问题

Pimpl实际的解决方法也比较简单，将Private/Protected属性和方法放到另一个类中，这个类只需要进行声明，然后通过成员指针的方式，进行属性或者方法的访问。用pimpl改造后的类图如下:

DataAcquirer只给调用者暴露了GetData()方法和m_pImpl未知细节的指针，而这个未知细节的指针，在cpp文件中将含有一些私有的方法和属性，也提供一个相应的GetData()的public方法。

DataAcquirer.h文件实现如下:

#pragma once
#include <string>
#include "HttpClient.h"

#ifdef DATA_ACQUIRER_DLL_EXPORT
#define DATA_ACQUIRER_DECL __declspec(dllexport)
#else
#define DATA_ACQUIRER_DECL __declspec(dllimport)
#endif

class DATA_ACQUIRER_DECL DataAcquirer
{
public:
  DataAcquirer();
  ~DataAcquirer();
public:
  const std::string GetData();
private:
  class DataAcquirerImpl;
  std::unique_ptr<DataAcquirerImpl> m_pImpl;
};

DataAcquirerImpl的具体实现放在DataAcquirer.cpp中:

#include "DataAcquirer.h"

class DataAcquirer::DataAcquirerImpl
{
public:
  DataAcquirerImpl() {};
  const std::string GetData() { return ""; };
private:
  HttpResponseCode HttpDataGet() { return m_pHttpClient.Get(); };
  HttpClient m_pHttpClient;
};

DataAcquirer::DataAcquirer() : m_pImpl(new DataAcquirerImpl())
{

}

DataAcquirer::~DataAcquirer()
{

}

const std::string DataAcquirer::GetData()
{
  return m_pImpl->GetData();
}

总结

无论是抽象类的方式还是Pimpl风格都达成了接口与实现的分离，并且降低了编译时候的依赖。

以上所说的两种方式，在从无到有编写代码的时候，可以完整的使用这个模式，可是有时候，你需要去维护已有的代码，在原先的导出类中进行一些修改，想要去降低这些依赖，个人认为用Pimpl此时就更适合去做这种扩展修改了。

参考

抽象类方法和Pimpl均在<<Effective C++>> 条款31中提到，只是本人的实现方式会有小小的区别。

另外参考了微软文档<<Pimpl For Compile-Time Encapsulation (Modern C++)>>: https://docs.microsoft.com/en-us/cpp/cpp/pimpl-for-compile-time-encapsulation-modern-cpp?view=msvc-170

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