C/C++编程：前置声明

什么是前置声明

所谓「前置声明」（forward declaration）是类、函数和模板的纯粹声明，没伴随着其定义.

一般的前置函数声明

#include 
using namespace std;
 
void fun(char ch, int *pValue, double dValue);
 
void main()
{
  int nValue = 100;
  double dValue = 111.22;
  fun('a', &nValue, dValue);
 
  system("pause");
}
 
void fun(char ch, int *pValue, double dValue)
{
  return;
}

自定义类型的前置声明

声明一个将稍后在此作用域定义的类类型。直到定义出现前，此类名具有不完整类型。这些类之间允许彼此引用：

class Vector; // 前置声明
class Matrix {
    // ...
    friend Vector operator*(const Matrix&, const Vector&);
};
class Vector {
    // ...
    friend Vector operator*(const Matrix&, const Vector&);
};

自定义类型的前置声明，由于编译器不知道类型的大小，所以不可以声明类型的对象。只可以利用类型声明指针和引用：

class B;

int main()
{
    B b; // error: aggregate 'B b' has incomplete type and cannot be defined
    B b1 = new B; // error: variable 'B b1' has initializer but incomplete type

    return 0;
}

#include 
using namespace std;
 
class B;
 
class A 
{
private:
  // 内置类型
  int m_nInt;
  int& m_nRInt;
  int* m_pInt;
 
  // 自定义类型
//  B b; // error！
  B* m_pB;
  B& m_b;
 
public: 
  A (B *pBPara = NULL) : m_nInt(100)
    , m_nRInt(m_nInt)
    , m_pInt(NULL)
    , m_pB(NULL)
    , m_b((NULL == pBPara) ? (*m_pB) : (*pBPara))
  {
    cout << "A()" << endl;
  }
  ~A()
  {
    cout << "~A()" << endl;
  }
 
  void funA()
  {
//    m_pB->doAnything(); // build error C2027: use of undefined type 'B'
  }
};
 
class B
{
private:
  int m_n;
 
public: 
  B (int n = 100) : m_n(n)
  {
    cout << "B()" << endl;
  }
  ~B()
  {
    cout << "~B()" << endl;
  }
  void doAnything()
  {
    cout << "B::anythig()" << endl;
  }
};
 
void main()
{
  A objA;
  system("pause");
}

如上，利用前置类型的指针想调用其成员函数，会报编译错误！那么，肿么办？请看下文。

声明与实现分离

代码如下，声明头文件：

/*
 * TestForwardDeclar.h
 */
#ifndef D_TESTFORWARDDECLAR_H_
#define D_TESTFORWARDDECLAR_H_
 
#include 
 
class B; // 前置声明自定义类型
 
class A 
{
private:
  // 内置类型
  int m_nInt;
  int& m_nRInt;
  int* m_pInt;
 
  // 自定义类型
//  B b; // error！
  B* m_pB;
  B& m_b;
 
public: 
  A (B *pBPara = NULL);
  ~A ();
  void funA();
};
 
class B
{
private:
  int m_n;
 
public: 
  B (int n = 100);
  ~B ();
  void doAnything();
};
 
#endif

代码如下，定义文件：

/*
 * TestForwardDeclar.cpp
 */
 
#include "TestForwardDeclar.h"
#include 
 
A::A (B *pBPara) 
  : m_nInt(100)
  , m_nRInt(m_nInt)
  , m_pInt(NULL)
  , m_pB(NULL)
  , m_b((NULL == pBPara) ? (*m_pB) : (*pBPara))
{
  std::cout << "A()" << std::endl;
}
 
A::~A()
{
  std::cout << "~A()" << std::endl;
}
 
void A::funA()
{
  m_pB->doAnything(); // 分开头文件和实现文件即可
}
 
 
B::B (int n) : m_n(n)
{
  std::cout << "B()" << std::endl;
}
 
B::~B()
{
  std::cout << "~B()" << std::endl;
}
 
void B::doAnything()
{
  std::cout << "B::anythig()" << std::endl;
}

代码如下：测试文件：

#include "TestForwardDeclar.h"
  
 void main()
 {
  A objA;
}

编译成功，运行结果是期望效果。

总结

• 自定义类型前置声明时，只可以利用类型名声明指针和变量（谨记不可以声明对象或new 对象，均因为类型大小不确定，编译器无能为力）。
  • 前置声明的类是不完全类型（incomplete type），我们只能定义指向该类型的指针或引用，或者声明（但不能定义）以不完全类型作为参数或者返回类型的函数。
  • 毕竟编译器不知道不完全类型的定义，我们不能创建其类的任何对象，也不能声明成类内部的数据成员。
• 若需要利用指针或引用调用前置类型的接口，必须按照声明和实现分离的方式进行编码。
• 而且如果特性的源文件仅使用到该类的指针和引用，也令减少#include的依赖：

// 在 MyStruct.h 中
#include  // 含有 std::ostream 的前置声明
struct MyStruct {
    int value;
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const S& s);
    // 其定义在 MyStruct.cpp 文件中提供，该文件使用 #include 
};

前置声明出现在局部作用域

如果前置声明出现在局部作用域，则它隐藏其外围作用域中可出现的先前声明的相同名字的类、变量、
函数，以及所有其他声明：

struct s { int a; };
struct s; // 不做任何事（s 已定义于此作用域）
void g() {
    struct s; // 新的局部类“s”的前置声明
              // 它隐藏全局的 struct s 直至此块结尾
    s* p;     // 指向局部 struct s 的指针
    struct s { char* p; }; // 局部 struct s 的定义
}

注意

注意，通过作为其他声明一部分的详述类型说明符，也可以引入新的类名，但仅当名字查找无法找到先前声明的有此名的类时才行。

class U;
namespace ns{
    class Y f(class T p); // 声明函数 ns::f 并声明 ns::T 与 ns::Y
    class U f(); // U 指代 ::U
    Y* p; T* q; // 可使用到 T 和 Y 的指针及引用
}

实施建议：倾向于使用#include，而不是前置声明

建议： 倾向于使用#include，而不是前置声明

原因：

• 前置声明最大的好处是节省编译时间
  • 前置声明能够节省编译时间，多余的 #include 会迫使编译器展开更多的文件，处理更多的输入。
  • 前置声明能够节省不必要的重新编译的时间。 #include 使代码因为头文件中无关的改动而被重新编译多次。
• 但是带来的问题更大
  • 前置声明能够节省不必要的重新编译的时间。 #include 使代码因为头文件中无关的改动而被重新编译多次。
  • 前置声明可能会被库的后续更改所破坏。前置声明函数或模板有时会妨碍头文件开发者变动其 API. 例如扩大形参类型，加个自带默认参数的模板形参等等。
  • 前置声明来自命名空间 std:: 的 symbol 时，其行为未定义。
  • 举个例子：
    • 一个类的实现着需要把这个类改个名字/换个命名空间。出于兼容性原本可以在原命名空间里/用原名通过using来起一个别名指向新类，然而别名不能被前置声明。。内网有一份代码改动一下子试图修改总计265个头文件，就是实现者为了要改这个类的名字而不得不去改所有的调用处。想一想，如果这265个文件分属于50个不同的团队，你得拿到50个人的同意才能提交这份改动，想不想打人？
    • 再举一个code style中提到的，更为严重的例子——它可能导致运行时出现错误的结果：

// b.h:
struct B {};
struct D : B {};

// good_user.cc:
#include "b.h"
void f(B*);
void f(void*);
void test(D* x) { f(x); }  // calls f(B*)

若把#include换成前置声明，由于声明时不知道D是B的子类，test()中f(x)就会导致f(void*)被调用，而不是f(B*)。

再比如，C++标准5.3.5/5中规定，delete一个不完整类型的指针时，如果这个类型有non-trivial的析构函数，那么这种行为是未定义的。把前置声明换成#include则能保证消除这种风险。

什么时候该用前置声明，什么时候该用 #include

• 尽量避免前置声明那些定义在其他项目中的实体
• 函数：总是使用 #include.
• 类模板：优先使用 #include.