C++ API功能設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

更新時(shí)間：2022年08月30日 08:46:45 作者：Colin-YYYY

C++ API中看似很小的修改，都可能會(huì)影響到生成的對(duì)象和庫文件的二進(jìn)制表示，如果客戶想替換共享庫使之工作，就不能簡(jiǎn)單的替換庫文件了事，而往往需要重新編譯

前言

創(chuàng)建類來表示API中的每個(gè)關(guān)鍵對(duì)象，同時(shí)提供這些類的方法

此處的API風(fēng)格指的是如何表現(xiàn)API的功能，以下4種：

純C API

可以用C編譯器編譯的API。這種API只包含一組自由函數(shù)以及輔助的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和常量。這種風(fēng)格的接口不包含對(duì)象或繼承，因此被稱為純C模式

面向?qū)ο蟮?code>C++ API

這種風(fēng)格涉及對(duì)象（其中包含相關(guān)的數(shù)據(jù)與方法）的使用以及繼承、封裝和多態(tài)等概念的應(yīng)用

基于模板的API

通過模板功能，C++也支持泛型編程和元編程。它支持以泛型類型的方式編寫函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在以后使用時(shí)，泛型類型可以通過具體類型來實(shí)例化，從而實(shí)現(xiàn)特化

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型API

這類接口的特點(diǎn)是，將參數(shù)通過靈活的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)打包，連同命名的命令一起發(fā)送給處理程序，而不是調(diào)用特定的方法和自由函數(shù)

純C API

C語言不支持對(duì)象封裝和繼承層次結(jié)構(gòu)等概念，因此，純C語法的API必須使用一組更為受限的語言特性來表示，比如typedef、結(jié)構(gòu)體和全局命名空間中的函數(shù)調(diào)用等。因?yàn)?code>C語言中沒有namespace關(guān)鍵字，要避免與其他C庫中的名字發(fā)生沖突，對(duì)這種風(fēng)格的API而言，所有公開的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該使用一個(gè)公共的前綴

當(dāng)然，也可以使用內(nèi)部鏈接隱藏實(shí)現(xiàn)中的符號(hào)名，比如將符號(hào)名聲明為靜態(tài)的，這樣它們的作用域就限制在.c文件之中了。通過這種方式，可以確保任何這樣的函數(shù)都不會(huì)被導(dǎo)出到外部，從而不會(huì)導(dǎo)致符號(hào)沖突

// c++ 示例
class Stack
{
public:
    void Push(int val);
    int Pop();
    bool IsEmpty() const;
private:
    int *mStack;
    int mCurSize;
};
// 純C API
struct Stack
{
    int *mStack;
    int mCurSize;
};
void StackPush(struct Stack *stack, int val);
int StackPop(struct Stack *stack);
bool StackIsEmpty(const struct Stack *stack);
// 進(jìn)一步改進(jìn)
typedef struct Stack *StackPtr;
void StackPush(StackPtr stack, int val);
int StackPop(StackPtr stack);
bool StackIsEmpty(const StackPtr stack);
// 可以通過特定的API調(diào)用來完成數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建與銷毀
StackPtr StackCreate();
void StackDestory(StackPtr stack);

在C API的頭文件中使用extern "C"限制，以便C++程序能夠正確的編譯和鏈接C API

#ifdef _cplusplus
extern "C" {
#endif
// C API聲明
#ifdef _cplusplus
}
#endif

面向?qū)ο蟮腃++ API

過程式編程、泛型編程、函數(shù)式編程

使用面向?qū)ο蟮?code>C++概念創(chuàng)建二進(jìn)制兼容的API是極為困難的

基于模板的API

模板可以用來編寫在編譯時(shí)生成代碼或執(zhí)行代碼的程序（該技術(shù)稱為元編程）

模板可以在編譯時(shí)執(zhí)行一些工作，進(jìn)而改進(jìn)運(yùn)行時(shí)性能

#include <vector>
template <typename T>
class Stack
{
public:
    void Push(T val);
    T Pop();
    bool IsEmpty() const;
private:
    std::vector<T> mStack;
};
// 可以定義一個(gè)typedef，這樣就可以更方便地使用該模板實(shí)例了
typedef Stack<int> IntStack;
IntStack *stack = new IntStack();

模板實(shí)現(xiàn)方式的另一個(gè)選擇是，利用C預(yù)處理器來定義一段文本，可以將其放入多個(gè)頭文件中

#include <vector>
#define DECLARE_STACK(Prefix, T) \
class Prefix##Stack \
{ \
public: \
    void Push(T val); \
    T Pop(); \
    bool IsEmpty() const; \
    
private: \
    std::vector<T> mStack; \
}
DECLARE_STACK(Int, int);

模板提供了一種類型安全的在編譯時(shí)生成代碼的方式。你可以調(diào)試到類模板的時(shí)機(jī)代碼行中。除非你要編寫純C API，無法使用模板，否則就應(yīng)該避免使用預(yù)處理器來模擬模板

模板的一個(gè)重要屬性是，不同于使用繼承時(shí)的動(dòng)態(tài)（運(yùn)行時(shí)）多態(tài)，它支持靜態(tài)（編譯時(shí)）多態(tài)

不會(huì)像虛方法那樣存在運(yùn)行時(shí)代價(jià)

模板進(jìn)一步的益處，對(duì)于特定類型的實(shí)例類，可以特化它的某些方法

template <>
void Stack<int>::Push(int val)
{
    // 實(shí)現(xiàn)特定于int類型的壓棧功能
}

基于模板的API的缺點(diǎn)

最嚴(yán)重的問題是：類模板的定義通常必須出現(xiàn)在公開的頭文件中
因?yàn)橐鼗０澹幾g器必須能夠訪問模板代碼的完整定義，顯而易見，這會(huì)暴露內(nèi)部細(xì)節(jié)
每當(dāng)其他文件包含了類模板定義所在的頭文件時(shí)，內(nèi)聯(lián)的代碼都需要重新編譯，生成的代碼會(huì)被添加到每個(gè)使用該API的模塊的目標(biāo)文件。這會(huì)增加編譯時(shí)間，并致使代碼膨脹
實(shí)際上有些情況下你可以使用顯式實(shí)例化技術(shù)將模板的實(shí)現(xiàn)隱藏在.cpp文件中
模板的另一個(gè)缺點(diǎn)是，模板代碼中出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，大多數(shù)編譯器生成的報(bào)錯(cuò)信息都是冗長(zhǎng)且令人困惑的，可用STLFilt

相對(duì)于運(yùn)行時(shí)開銷而言，代碼體積是需要優(yōu)先考慮的因素，那么應(yīng)該選擇面向?qū)ο蠓桨福悄０?。或者相反，如果運(yùn)行時(shí)性能更為重要，那就應(yīng)該選擇模板