關於PIMPL IDIOM（Opaque Pointer）

今天看到CSDN的一個討論帖：討論如何隱藏DLL標頭檔細節的作法。http://bbs.csdn.net/topics/390414874

說實話，我之前也有過類似的疑問，也沒有特別好的想法，後來工作一直沒有遇到過這個需求，就漸漸忘記了，其實某一次在miko的blog裡面看到過pimpl的說法，但是還沒有深刻理解，今天通過這個問題和查閱一些資料，終於瞭解了。下面的觀點基本上都是翻譯自[1]，似乎在《Effective C++》中有（目前這本書我還沒讀過，積弱啊），我只是做了簡單概括和備份，詳細瞭解還是去[1]這個網址看看吧。

PIMPL應該是Pointer to IMPLementation的縮寫，意指指向實作類別的指標，一個簡單的代碼例子：

// XImpl.hclass XImpl {public:    int  fun();private:    int  m_data;};// XImpl.cpp#include "XImpl.h"int XImpl::fun() { return m_data * 2; }// X.hclass XImpl;  // forword declarationclass X {public:    X();    int  fun();private:    XImpl*  m_handle;};// X.cpp#include "XImpl.h"#include "X.h"X::X() m_handle( new XImpl() ) {}int  X::fun() { return m_handle->fun(); }

類的設計是為了抽象，為了被別的代碼調用，所以我們可以說使用了X類的代碼都是客戶代碼（client code），下面來討論一下PIMPL的優點和缺點。

優點：

1 大大降低了編譯依賴（compile-dependency），進而改善重新編譯速度

因為基本上不需要修改X.h，所以客戶代碼無需重新編譯，當然最終二進位的產生還需要link，這個是必須要做的，但是相對於大項目龐大的編譯時間，這點時間幾乎可以忽略。（很多大項目編譯以小時計，如果修改一處代碼，可能就增加了幾分鐘編譯時間）。下面的[5][6]提到了標準庫中的iosfwd，可以借鑒。

註：目前主流的C++編譯器流程是這樣的：1 先行編譯階段，將所有的#include全部展開；2 對每個源檔案進行編譯，產生obj；3 進行obj的串連，產生二進位結果（例如exe或dll等）。

2 隱藏資料細節

我們知道，如果X類想給客戶使用，必需提供標頭檔聲明，而類的標頭檔往往寫下了類的member-data和member-function，其中member-function可以把實現細節放到cpp中封裝成dll，但是member-data就沒那麼走運了。而XImpl類正好就提供了這個功能。XImpl可以全部隱藏在dll中，而對XImpl的data的任何修改，都無需體現在X類中。

缺點：

1 增加記憶體佔用

我們知道指標會佔用4或8位元組（目前大部分系統），而8位元組並不是一個小數字，很多64bit程式跑不過32bit就和這個指標有莫大關係。還有原文作者提到的位元組對齊（memory aligned）問題，可能會增加更多的無用位元組。

2 已耗用時間增加

指標和數組有什麼區別？答案是：數組是一個常量（它不可以發生變化），而指標是一個變數，所以取指標指向的內容，就要先載入指標的值，然後把這個值看成地址，再去地址取真正的資料，也就是所謂的“解引用”（dereference）。

那麼對m_handle這個指標的任何調用都相當於多了一層解引用的開銷。

多一個new的開銷，我們知道棧（stack）比堆（heap）的資料開闢速度快（棧只需要移動一下棧頂指標，而堆需要考慮記憶體片段，多線程競爭等等），當然也可以用自己實現的new operator加類似記憶體池的方式降低這個消耗，詳見[1]中的論述。

總結：

對於小項目或程式碼片段，這個方式沒什麼優勢。但是對於編譯時間已經不可忽略的大項目，並且不在代碼熱點區，這個方式經常被用到，[2]中提到Qt和KDE中大量使用。

程式員有很多時間都在debug，並且經常需要重新編譯，如果每次rebuild都要幾分鐘，確實讓人boring，盡量將PIMPL這個手段加入到項目中吧。

閱讀材料（按重要性排序）：

[1] http://www.gotw.ca/publications/mill05.htm

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Opaque_pointer#cite_note-4

[3] http://hi.baidu.com/yxf_coder/item/9126bfc25eb6562fa1b50a0f

[4] http://stackoverflow.com/questions/60570/why-should-the-pimpl-idiom-be-used

[5] http://www.cplusplus.com/reference/iosfwd/

[6] http://www.cnblogs.com/Solstice/archive/2011/07/17/2108715.html

[7] http://www.oschina.net/code/snippet_102081_2211