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怎样削减C++代码间依赖

1. 介绍

C++程序编译很慢，特别是大型工程，你都可以趁着编译的功夫喝杯咖啡。这里面既有天灾也有人祸。

天灾请看此文，本文探讨怎么避免人祸。

2. 编译过程

后文需要，我们先了解C++源代码的编译过程

怎样削减C++代码间依赖

为叙述方便，图中各文件类型称呼如下:

.h 头文件
.cc 源文件
.o 目标文件

本文不探讨链接过程，只考虑编译和预处理。

预处理

经过预处理后，头文件就消失了。因为 #include 预处理指令将其展开在源文件中，编译阶段是不需要头文件的。常见的预处理指令还有 #if, #elif, #end, #ifndef, #define 等。

#include 其实非常简单，就是把文件在当前位置展开，没有任何多余的功能和限制。所以你不仅能 #include 头文件，还可以 #include .cc文件，甚至任何文件。

编译

经过预处理后，只剩下源文件了，编译就是把每个源文件转换成目标文件。记住，源文件和目标文件是一一对应的。

编译的实质，是根据源文件生成目标文件的 代码段 和 数据段 。这一点对于理解前向声明非常重要。

图解说

假设我们有4个源文件和4个头文件，include关系如下

//  A.h                             A.cc #include "B.h"                     #include "A.h"  ---------------------------------------------------- //  B.h                             B.cc #include "C.h"                     #include "B.h"  ---------------------------------------------------- //  C.h                             C.cc #include nothing                   #include "C.h"  ---------------------------------------------------- //  D.h                             D.cc #include "A.h"                     #include "D.h"                                    #include "C.h"

我们可以用一张图来表示这8个文件的预处理和编译两个阶段

怎样削减C++代码间依赖

虚箭头表示编译，是一对一的，没什么好说的。实箭头表示 #incude 关系。如果一个文件有修改，那么所有直接或间接依赖它的源文件都要重新编译。下面我们就根据此图讲解C++工程中的代码依赖问题。

3. 重复include

D.cc两次包含C.h，一次直接包含，一次通过间接包含。这会引起重定义错误，有两种方法解决。

经典的 ifndef

// A.h #ifndef A_H #define A_H  // class definition  #endif

或者 pragma once

// A.h #pragma once  // class defnition

4. 循环依赖

一旦代码中有循环依赖，编译将失败。上文的8个文件没有循环依赖，图中找不到向循环路径。

万一你的代码出现循环依赖，请将导致循环依赖的代码提出来，放到新文件中。

5. 前向声明

前两个问题关乎对错，跟编译速度关系不大。现在开始，我们探讨怎么加快代码编译速度。

我们向文件中加点东西

//  A.h                             A.cc #include "B.h"                     #include "A.h"  class A {                          .... public:   void f1(B* b);                   void A::f1(B* b) {                                      b->f3();   void f2();                       } };  ---------------------------------------------------- //  B.h                             B.cc #include "C.h"                     #include "B.h"  class B { public:   void f3(); };  ---------------------------------------------------- //  C.h                             C.cc #include nothing                   #include "C.h"  ---------------------------------------------------- //  D.h                             D.cc #include "A.h"                     #include "D.h"                                    #include "C.h"  class D { public: private:   A a; };

根据前文的依赖图，如果 B.h 修改，那么 A.cc 和 D.cc 都要重新编译。但是， D.cc 不应该重新编译，因为 class D 只受 class A 内存布局的影响，而 class A 的内存布局与 class B 没有关系，只是 f1 需要一个 class B 指针的参数而已。

于是C++允许 A.h 不包含 B.h ，只需声明 class B 即可，告诉编译器 B 这丫是个类名哈。A.h用前向声明替代include，但是 A.cc 中利用了 class B 的实现，所以 A.cc 要加一条 include（放心，源文件中的include不会传染，很少有 include 源文件的）

//  A.h                             A.cc class B;                           #include "A.h"  #include "B.h" class A {                          .... public:   void f1(B* b);                   void A::f1(B* b) {    b->f3();   void f2();                       } };

依赖线一增一减，数量虽然没变，但是效果改善不少啊

怎样削减C++代码间依赖

6. Pimpl idiom

是不是有点儿累了，先歇会儿，然后再来看另外一个削减依赖的重磅武器 Piml（pointer to implementation）。

pimpl idiom主要运用在库的接口设计中。如果团队人数达100，有一个维护基础库的小组。原则上除了接口升级，基础库的任何升级都不应该触发应用层模块的重编译。

我们假设 A.h 是基础库的接口，B.cc 是应用层源文件。

// A.h                      A.cc #include "xx.h" #include "yy.h" #include "zz.h"  class A {                        public:    A();                     A() { ... }   ~A();                    ~A() { ... }   void f1();               void A::f1() { ... }   void f2();               void A::f2() { ... } private:   XX x;   YY y;   ZZ z; };  ----------------------------------------------------- // B.cc #include "A.h"  class B { public: private:   A a; };

依赖图如下

怎样削减C++代码间依赖

从依赖图明显看出这种代码组织方式有缺陷，XX.h, YY.h, ZZ.h 任何一个文件的修改都会触发 B.cc 重编译。那三个文件都是库内部的文件，原则上是与B.cc无关的，并且这三个头文件很可能包含别的头文件，导致程序库最深处的修改都能轻易触发应用层代码重编译。

这时候该Pimpl显身手了，我们把 A.h, A.cc 改造如下

// A.h                         A.cc class A {                      #include "A.h"    public:                        #include "XX.h"   A();                         #include "YY.h"   ~A();                        #include "ZZ.h"   void f1();                    void f2();                   class A::Impl { private:                       public:   class Impl;                    Impl() { ... }   Impl* impl_;                   ~Impl() { ... } };                               void f1() { ... }                                  void f2() { ... }                                private:                                XX x;                                YY y;                                ZZ z;                                };                                 A::A() : impl_(new A::Impl()) {}                                A::~A() { delete impl_; }                                 void A::f1() {                                  impl_->f1();                                }                                 void A::f2() {                                  impl_->f2();                                }

把A中所有的东西都移到Impl中去，依赖图变成下面的样子。

怎样削减C++代码间依赖