程序開發的時候經常會使用到接口。眾所周知，C++語言層面並沒有接口的概念，但並不意味着C++不能實現接口的功能。相反，正是由於C++語言沒有提供標准的接口，導致實際實現接口的方法多種多樣。那么C++有哪些實現接口的方法呢，不同的方法又適用於哪些場景呢？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
接口按照功能划分可以分為調用接口與回調接口：
調用接口
一段代碼、一個模塊、一個程序庫、一個服務等（后面都稱為系統），對外提供什么功能，以接口的形式暴露出來，用戶只需要關心接口怎么調用，不用關心具體的實現，即可使用這些功能。這類被用戶調用的接口，稱為調用接口。
調用接口的主要作用是解耦，對用戶隱藏實現，用戶只需要關心接口的形式，不用關心具體的實現，只要保持接口的兼容性，實現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，設計好接口之后，各模塊只通過接口進行交互，各自完成各自的模塊即可。
回調接口
系統定義接口，由用戶實現，注冊到系統中，系統有異步事件需要通知用戶時，回調用戶注冊的接口實現。系統定義接口的形式，但無需關心接口的實現，而是接受用戶的注冊，並在適當的時機調用。這類由系統定義，用戶實現，被系統調用的接口，稱為回調接口。
回調接口的主要作用是異步通知，系統定義好通知的接口，並在適當的時機發出通知，用戶接收通知，並執行相應的動作，用戶動作執行完后控制權交還給系統，用戶動作可以給系統返回一些數據，以決定系統后續的行為。
二 、調用接口
我們以一個Network接口為例，說明C++中的調用接口的定義及實現，示例如下：
class Network
{
public:
bool send(const char* host,
uint16_t port,
const std::string& message);
}
Network接口現在只需要一個send接口，可以向指定地址發送消息。下面我們用不同的方法來定義Network接口。
虛函數
虛函數是定義C++接口最直接的方式，使用虛函數定義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，讓子類去實現，子類不對外暴露，提供靜態方法New來創建子類對象，並以父類Network的指針形式返回。接口的設計一般遵循對象在哪創建就在哪銷毀的原則，因此提供靜態的Delete方法來銷毀對象。因為對象的銷毀封裝在接口內部，因此Network接口類可以不用虛析構函數。
使用虛函數定義接口簡單直接，但是有很多弊端：
虛函數開銷：虛函數調用需要使用虛函數表指針間接調用，運行時才能決定調用哪個函數，無法在編譯鏈接期間內聯優化。實際上調用接口在編譯期間就能確定調用哪個函數，無需虛函數的動態特性。
二進制兼容：由於虛函數是按照索引查詢虛函數表來調用，增加虛函數會造成索引變化，新接口不能在二進制層面兼容老接口，而且由於用戶可能繼承了Network接口類，在末尾增加虛函數也有風險，因此虛函數接口一經發布，難以修改。
指向實現的指針
指向實現的指針是C++比較推薦的定義接口的方式，使用指向實現的指針定義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的實現通過impl指針轉發給NetworkImpl，NetworkImpl使用前置聲明，實現對用戶隱藏。使用指向實現的指針的方式定義接口，接口類對象的創建和銷毀可以由用戶負責，因此用戶可以選擇將Network類的對象創建在棧上，生命周期自動管理。
使用指向實現的指針定義接口具有良好的通用性，用戶能夠直接創建和銷毀接口對象，並且增加新的接口函數不影響二進制兼容性，便於系統的演進。
指向實現的指針增加了一層調用，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零開銷的接口，思想非常簡單。調用接口要實現的目標是解耦，主要就是隱藏實現，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類中，接口類就不需要任何成員變量，也就實現了隱藏實現的目的。隱藏的子類就是這個隱藏的實現類，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（非虛函數），沒有成員變量，並且構造函數和析構函數都申明為protected。提供靜態方法New創建對象，靜態方法Delete銷毀對象。New方法的實現中創建隱藏的子類NetworkImpl的對象，並以父類Network指針的形式返回。NetworkImpl類中存放Network類的成員變量，並將Network類聲明為friend：
class NetworkImpl : public Network
{
friend class Network;
private:
//Network類的成員變量
}
Network的實現中，創建隱藏的子類NetworkImpl的對象，並以父類Network指針的形式返回，通過將this強制轉換為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 、回調接口
同樣以Network接口為例，說明C++中的回調接口的定義及實現，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);
}
現在Network需要增加接收消息的功能，增加Listener接口類，由用戶實現，並注冊其對象到Network中后，當有消息到達時，回調Listener的onReceive方法。
虛函數
使用虛函數定義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，由用戶繼承實現，由於多態的存在，回調的是實現類的方法。
使用虛函數定義回調接口簡單直接，但同樣存在和調用接口中使用虛函數同樣的弊端：虛函數調用開銷，二進制兼容性差。
函數指針
函數指針是C語言的方式，使用函數指針定義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);
}
使用函數指針定義C++回調接口簡單高效，但只適用於回調接口中只有一個回調函數的情形，如果Listener接口類中要增加onConnect，onDisconnect等回調方法，單個函數指針無法實現。另外函數指針不太符合面向對象的思想，可以換成下面要介紹的std::function。
std::function
std::function提供對可調用對象的抽象，可封裝簽名相符的任意的可調用對象。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同樣只適用於回調接口中只有一個回調方法的情形。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大概比普通函數慢6倍以上，比虛函數還慢。
類成員函數指針
類成員函數指針的使用比較靈活，使用類成員函數指針定義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指針，registerListener模板函數可注冊任意類的對象和相應符合簽名的方法，無需繼承Listener，與接口類解耦。
使用類成員函數指針定義C++回調接口靈活高效，可實現與接口類解耦，並且不破壞面向對象特性，可很好的取代傳統的函數指針的方式。
類成員函數指針同樣只適用於回調接口中只有一個回調方法的情形，如果有多個回調方法，需要針對每一個回調方法提供一個類成員函數指針。那么有沒有方法既能實現與接口類解耦，又能適用於多個回調方法的場景呢？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，實現一個Trait，那么C++能否實現Rust的Trait的功能呢？還是以Network接口為例，假設現在Network發送需要考慮序列化，重新設計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接口相當於Rust中的Trait，現在一切實現了Serializable接口的類的對象均可以通過Network接口發送。那么問題來了，能否在不修改類的定義的同時，實現Serializable接口呢？假如我們要通過Network發送int類型的數據，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;
};
有了實現了Serializable接口的IntSerializable，就可以實現通過Network發送int類型的數據了：
Network* network = Network::New();
int i = 1;
network->send(ip, port, IntSerializable(i));
Rust編譯器通過impl關鍵字記錄了每個類實現了哪些Trait，因此在賦值時編譯器可以自動實現將對象轉換為相應的Trait類型，但C++編譯器並沒有記錄這些轉換信息，需要手動轉換類型。
非侵入式接口讓類和接口區分開來，類中的數據只有成員變量，不包含虛函數表指針，類不會因為實現了N個接口而引入N個虛函數表指針；而接口中只有虛函數表指針，不 包含數據成員，類和接口之間通過實現類進行類型轉換，實現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表指針，不充當接口用的時候沒有虛函數表指針，更符合C++的零開銷原則。
C++編程語言的應用對於開發人員來說是一個非常有用的應用語言。不過其中還有許多比較高深的內容值得我們去花大量的時間去學習。今天就講到這里啦，大家記得點贊收藏，分享轉發，加關注哦！
