D指针/Q指针在C++中的使用

最近接触C++动态链接库开发，遇到了动态链接库的二进制兼容问题，首先引入二进制兼容的概念：

A library is binary compatible, if a program linked dynamically to a former version of the library continues running with newer versions of the library without the need to recompile.

大概意思是：如果应用程序在动态链接某library的前后两个版本时不需要重新编译，则称这个library是二进制兼容的。

（另外还有个源码兼容的概念：比二进制兼容稍弱一些，即除了链接某library的前后两个版本时需要重新编译之外，再不需要其他任何改动，则称这个library是源码兼容的。Source compatible）

1. 引入D指针以保证动态链接库代码的二进制兼容性
我们先看一下什么情况下会造成二进制不兼容。

比如我们有个test.dll的动态链接库，它包含一个Foo类和其子类FooC，定义如下：

class TESTDLL_API Foo {  //Foo.h
public:
  Foo();
  double getCurrent();
private:
  double m_current;
}
class TESTDLL_API FooC : public Foo {  //FooC.h
public:
  FooC();
  double getFuture();
private:
  double m_future;
}
将Foo和FooC发布成test.dll后，供应用程序app.exe调用。

此时，需求说要在Foo类中加入一个新的成员变量，m_previous，那么此时Foo类的定义是：

class TESTDLL_API Foo {  //Foo.h
public:
  Foo();
  double getCurrent();
  double getPrevious();
private:
  double m_current;
  double m_previous;
}
子类FooC类的定义不变，再发布成test.dll，供应用程序app.exe调用（假设app.exe没有重新编译），那么对于app.exe来说，FooC类的内存布局中m_future的相对偏移为x，而实际上由于Foo中加入了成员变量m_previous，导致运行时FooC类的内存布局中m_future的相对偏移不再是x了。这样就会造成运行时错误（经实验，成员方法getPrevious()的加入并没有影响内存布局），test.dll不具备二进制兼容性。D指针在这种情况下闪亮登场！

首先需要为Foo类添加一个FooPrivate类来定义原来在Foo类中的成员变量（XXXPrivate是惯用的命名方式）：

class FooPrivate {  //Foo_p.h
public:
  FooPricate();
private:
  m_current;
}
然后修改Foo.h为：

class FooPrivate;
class TESTDLL_API Foo {  //Foo.h
public:
  Foo();
private:
  FooPrivate *d_ptr;
}
最后如需要添加新的成员变量，则在FooPrivate类中添加，Foo类只有一个指向FooPrivate的D指针，这样就不会改变子类FooC类的内存布局，就可以保证test.dll的二进制兼容性了。

2. 引入Q指针以实现Private类对父类或者公有类方法的访问
在引入作为D指针的定义类(FooPrvate)后，如遇到FooPrivate访问公有类或者包含D指针的类(Foo)的需求，例如 对成员变量修改后调用父类的方法，这时可以在FooPrivate类中加入一个指向公有类或者Foo.class的q_ptr，称为Q指针，如下：

class FooPrivate {  //Foo_p.h
public:
  FooPricate(Foo *p_foo);
private:
  m_current;
public:
  Foo *q_ptr;
}
class FooCPrivate {  //FooC_p.h
public:
  FooCPrivate(FooC *p_fooc);
private:
  double m_future;
public:
  FooC *q_str;
}
FooPrivate和Foo以及FooCPrivate()和FooC()的构造函数分别为：

FooPrivate::FooPrivate(Foo *p_foo) : q_ptr(p_foo) {  //Foo.cpp
...
}
Foo::Foo():d_ptr(new FooPrivate(this)) {  //Foo.cpp
}
 
FooCPrivate::FooCPrivate(FooC *p_fooc) : q_str(p_fooc) {  //FooC.cpp
...
}
FooC::FooC():d_ptr(new FooCPrivate(this)) {  //FooC.cpp
}
这样就可以通过XXXPrivate类中的q_str调用父类的protect或public方法了。

3. 针对多层继承关系下Q、D指针造成的空间浪费优化
但是这种用法会带来一个问题：在拥有多层继承关系的类中，子类创建一个实例后，会额外创建继承路径上所有private类，造成空间浪费，如QListWidget(此类在继承结构上有6层深度），就会为相应的Private类分配6次空间。

因此需要对其进行优化，优化后子类创建一个实例后，只会创建自身对应的private类对象和根private类对象，具体做法如下：

2.1 所有private类都继承根private类；

2.2 去掉各子类中d_ptr，均使用根private类的对象作为隐式D指针；

2.3 去掉各子类中q_str，均使用根private类的Q指针指向根类（仅保留根private类的q_str）；

2.4  根类加入protect构造函数，如Foo(FooPrivate &d)，允许子类传入自己的private类来初始化。

优化后的FooPrivate、Foo、FooCPrivate、FooC如下所示（FooC继承Foo，FooCPrivate继承FooPrivate）：

class FooPrivate  {  //Foo_p.h
public:
  FooPrivate();
  FooPrivate(Foo *p_foo);
private:
  double m_current;
public:
  Foo *q_ptr;
};
 
class FooCPrivate : public FooPrivate  {  //FooC_p.h
public:
  FooCPrivate();
private:
  double m_future;
};
class FooPrivate;
class TESTDLL_API Foo  {  //Foo.h
public:
  Foo(void);
protected:
  //只有子类会访问以下构造函数
  Foo(FooPrivate &d); // 允许子类通过它们自己的private类来初始化
  FooPrivate *d_ptr;
};
 
class FooCPrivate;
class TESTDLL_API FooC : public Foo  {  //FooC.h
public:
  FooC(void);
protected:
  FooC(FooCPrivate &d);
};

由于所有private类都仅继承根private类，在使用q_str的时候要加上强制类型转换：

#define QPTR(Class) Class *q = static_cast(q_ptr)     //q_str实际指向private对应的类的对象，

                                                                                                   //如FooCPrivate对应的类是FooC

同理，在使用d_str的地方要加上强制类型转换：

#define DPTR(Class) Class##Private *d = static_cast(d_ptr)   //d_str实际指向类对应的private对象

                                                                                                                            //如FooC对应的FooCPrivate对象

这两个宏类似于QT中经常见到的Q_Q宏和Q_D宏。

最后附上源代码，使用vs2012编写，Foo*这些类在smcore项目中，main函数在TestConsole中，按照写作思路分成_NODPTR、_DPTR、_QPTR、_QPTR_OPT这四个宏，分别对应上文进行阐述，可以在vs项目 c++预处理 里面使用上述宏。至于smcore项目中Moon、Orbiter等类跟本文并无关系，可以忽略。貌似无法选择0积分上传资源，有会的同学请在评论里告知，谢谢。

https://download.csdn.net/download/haoxinhaoxin/10277398
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