C++ 工程实践：避免使用虚函数作为库的接口

摘要：作为 C++ 动态库的作者，应当避免使用虚函数作为库的接口。这么做会给保持二进制兼容性带来很大麻烦，不得不增加很多不必要的 interfaces，最终重蹈 COM 的覆辙。

本文主要讨论 Linux x86 平台，会继续举 Windows/COM 作为反面教材。

本文是上一篇《C++ 工程实践(4)：二进制兼容性》的延续，在写这篇文章的时候，我原本以外大家都对“以 C++ 虚函数作为接口”的害处达成共识，我就写得比较简略，看来情况不是这样，我还得展开谈一谈。

“接口”有广义和狭义之分，本文用中文“接口”表示广义的接口，即一个库的代码界面；用英文 interface 表示狭义的接口，即只包含 virtual function 的 class，这种 class 通常没有 data member，在 Java 里有一个专门的关键字 interface 来表示它。

C++ 程序库的作者的生存环境

假设你是一个 shared library 的维护者，你的 library 被公司另外两三个团队使用了。你发现了一个安全漏洞，或者某个会导致 crash 的 bug 需要紧急修复，那么你修复之后，能不能直接部署 library 的二进制文件？有没有破坏二进制兼容性？会不会破坏别人团队已经编译好的投入生成环境的可执行文件？是不是要强迫别的团队重新编译链接，把可执行文件也发布新版本？会不会打乱别人的 release cycle？这些都是工程开发中经常要遇到的问题。

如果你打算新写一个 C++ library，那么通常要做以下几个决策：

以什么方式发布？动态库还是静态库？（本文不考虑源代码发布这种情况，这其实和静态库类似。）

以什么方式暴露库的接口？可选的做法有：以全局（含 namespace 级别）函数为接口、以 class 的 non-virtual 成员函数为接口、以 virtual 函数为接口（interface）。

（Java 程序员没有这么多需要考虑的，直接写 class 成员函数就行，最多考虑一下要不要给 method 或 class 标上 final。也不必考虑动态库静态库，都是 .jar 文件。）

在作出上面两个决策之前，我们考虑两个基本假设：

代码会有 bug，库也不例外。将来可能会发布 bug fixes。

会有新的功能需求。写代码不是一锤子买卖，总是会有新的需求冒出来，需要程序员往库里增加东西。这是好事情，让程序员不丢饭碗。

（如果你的代码第一次发布的时候就已经做到完美，将来不需要任何修改，那么怎么做都行，也就不必继续阅读本文。）

也就是说，在设计库的时候必须要考虑将来如何升级。

基于以上两个基本假设来做决定。第一个决定很好做，如果需要 hot fix，那么只能用动态库；否则，在分布式系统中使用静态库更容易部署，这在前文中已经谈过。（“动态库比静态库节约内存”这种优势在今天看来已不太重要。）

以下本文假定你或者你的老板选择以动态库方式发布，即发布 .so 或 .dll 文件，来看看第二个决定怎么做。（再说一句，如果你能够以静态库方式发布，后面的麻烦都不会遇到。）

第二个决定不是那么容易做，关键问题是，要选择一种可扩展的 (extensible) 接口风格，让库的升级变得更轻松。“升级”有两层意思：

对于 bug fix only 的升级，二进制库文件的替换应该兼容现有的二进制可执行文件，二进制兼容性方面的问题已经在前文谈过，这里从略。

对于新增功能的升级，应该对客户代码的友好。升级库之后，客户端使用新功能的代价应该比较小。只需要包含新的头文件（这一步都可以省略，如果新功能已经加入原有的头文件中），然后编写新代码即可。而且，不要在客户代码中留下垃圾，后文我们会谈到什么是垃圾。

在讨论虚函数接口的弊端之前，我们先看看虚函数做接口的常见用法。

虚函数作为库的接口的两大用途

虚函数为接口大致有这么两种用法：

调用，也就是库提供一个什么功能（比如绘图 Graphics），以虚函数为接口方式暴露给客户端代码。客户端代码一般不需要继承这个 interface，而是直接调用其 member function。这么做据说是有利于接口和实现分离，我认为纯属脱了裤子放屁。

回调，也就是事件通知，比如网络库的“连接建立”、“数据到达”、“连接断开”等等。客户端代码一般会继承这个 interface，然后把对象实例注册到库里边，等库来回调自己。一般来说客户端不会自己去调用这些 member function，除非是为了写单元测试模拟库的行为。

混合，一个 class 既可以被客户端代码继承用作回调，又可以被客户端直接调用。说实话我没看出这么做的好处，但实际中某些面向对象的 C++ 库就是这么设计的。

对于“回调”方式，现代 C++ 有更好的做法，即 boost::function + boost::bind，见参考文献[4]，muduo 的回调全部采用这种新方法，见《Muduo 网络编程示例之零：前言》。本文以下不考虑以虚函数为回调的过时做法。

对于“调用”方式，这里举一个虚构的图形库，这个库的功能是画线、画矩形、画圆弧：

 1: struct Point

   2: {

   3:   int x;

   4:   int y;

   5: };

   6:  

   7: class Graphics

   8: {

   9:   virtual void drawLine(int x0, int y0, int x1, int y1);

  10:   virtual void drawLine(Point p0, Point p1);

  11:  

  12:   virtual void drawRectangle(int x0, int y0, int x1, int y1);

  13:   virtual void drawRectangle(Point p0, Point p1);

  14:  

  15:   virtual void drawArc(int x, int y, int r);

  16:   virtual void drawArc(Point p, int r);

  17: };

这里略去了很多与本文主题无关细节，比如 Graphics 的构造与析构、draw*() 函数应该是 public、Graphics 应该不允许复制，还比如 Graphics 可能会用 pure virtual functions 等等，这些都不影响本文的讨论。

这个 Graphics 库的使用很简单，客户端看起来是这个样子。

Graphics* g = getGraphics();

g->drawLine(0, 0, 100, 200);

releaseGraphics(g); g = NULL;

似乎一切都很好，阳光明媚，符合“面向对象的原则”，但是一旦考虑升级，前景立刻变得昏暗。

虚函数作为接口的弊端

以虚函数作为接口在二进制兼容性方面有本质困难：“一旦发布，不能修改”。

假如我需要给 Graphics 增加几个绘图函数，同时保持二进制兼容性。这几个新函数的坐标以浮点数表示，我理想中的新接口是：

--- old/graphics.h  2011-03-12 13:12:44.000000000 +0800
+++ new/graphics.h 2011-03-12 13:13:30.000000000 +0800
@@ -7,11 +7,14 @@
 class Graphics
 {
   virtual void drawLine(int x0, int y0, int x1, int y1);
+  virtual void drawLine(double x0, double y0, double x1, double y1);
   virtual void drawLine(Point p0, Point p1);

   virtual void drawRectangle(int x0, int y0, int x1, int y1);
+  virtual void drawRectangle(double x0, double y0, double x1, double y1);
   virtual void drawRectangle(Point p0, Point p1);

   virtual void drawArc(int x, int y, int r);
+  virtual void drawArc(double x, double y, double r);
   virtual void drawArc(Point p, int r);
 };

受 C++ 二进制兼容性方面的限制，我们不能这么做。其本质问题在于 C++ 以 vtable[offset] 方式实现虚函数调用，而 offset 又是根据虚函数声明的位置隐式确定的，这造成了脆弱性。我增加了 drawLine(double x0, double y0, double x1, double y1)，造成 vtable 的排列发生了变化，现有的二进制可执行文件无法再用旧的 offset 调用到正确的函数。

怎么办呢？有一种危险且丑陋的做法：把新的虚函数放到 interface 的末尾，例如：

--- old/graphics.h  2011-03-12 13:12:44.000000000 +0800
+++ new/graphics.h 2011-03-12 13:58:22.000000000 +0800
@@ -7,11 +7,15 @@
 class Graphics
 {
   virtual void drawLine(int x0, int y0, int x1, int y1);
   virtual void drawLine(Point p0, Point p1);

   virtual void drawRectangle(int x0, int y0, int x1, int y1);
   virtual void drawRectangle(Point p0, Point p1);

   virtual void drawArc(int x, int y, int r);
   virtual void drawArc(Point p, int r);
+
+  virtual void drawLine(double x0, double y0, double x1, double y1);
+  virtual void drawRectangle(double x0, double y0, double x1, double y1);
+  virtual void drawArc(double x, double y, double r);
 };

这么做很丑陋，因为新的 drawLine(double x0, double y0, double x1, double y1) 函数没有和原来的 drawLine() 函数呆在一起，造成阅读上的不便。这么做同时很危险，因为 Graphics 如果被继承，那么新增虚函数会改变派生类中的 vtable offset 变化，同样不是二进制兼容的。

另外有两种似乎安全的做法，这也是 COM 采用的办法：

1. 通过链式继承来扩展现有 interface，例如从 Graphics 派生出 Graphics2。

--- graphics.h  2011-03-12 13:12:44.000000000 +0800
+++ graphics2.h 2011-03-12 13:58:35.000000000 +0800
@@ -7,11 +7,19 @@
 class Graphics
 {
   virtual void drawLine(int x0, int y0, int x1, int y1);
   virtual void drawLine(Point p0, Point p1);

   virtual void drawRectangle(int x0, int y0, int x1, int y1);
   virtual void drawRectangle(Point p0, Point p1);

   virtual void drawArc(int x, int y, int r);
   virtual void drawArc(Point p, int r);
 };
+
+class Graphics2 : public Graphics
+{
+  using Graphics::drawLine;
+  using Graphics::drawRectangle;
+  using Graphics::drawArc;
+
+  // added in version 2
+  virtual void drawLine(double x0, double y0, double x1, double y1);
+  virtual void drawRectangle(double x0, double y0, double x1, double y1);
+  virtual void drawArc(double x, double y, double r);
+};

将来如果继续增加功能，那么还会有 class Graphics3 : public Graphics2；以及 class Graphics4 : public Graphics3 等等。这么做和前面的做法一样丑陋，因为新的 drawLine(double x0, double y0, double x1, double y1) 函数位于派生 Graphics2 interace 中，没有和原来的 drawLine() 函数呆在一起，造成割裂。

2. 通过多重继承来扩展现有 interface，例如定义一个与 Graphics class 有同样成员的 Graphics2，再让实现同时继承这两个 interfaces。

--- graphics.h  2011-03-12 13:12:44.000000000 +0800
+++ graphics2.h 2011-03-12 13:16:45.000000000 +0800
@@ -7,11 +7,32 @@
 class Graphics
 {
   virtual void drawLine(int x0, int y0, int x1, int y1);
   virtual void drawLine(Point p0, Point p1);

   virtual void drawRectangle(int x0, int y0, int x1, int y1);
   virtual void drawRectangle(Point p0, Point p1);

   virtual void drawArc(int x, int y, int r);
   virtual void drawArc(Point p, int r);
 };
+
+class Graphics2
+{
+  virtual void drawLine(int x0, int y0, int x1, int y1);
+  virtual void drawLine(double x0, double y0, double x1, double y1);
+  virtual void drawLine(Point p0, Point p1);
+
+  virtual void drawRectangle(int x0, int y0, int x1, int y1);
+  virtual void drawRectangle(double x0, double y0, double x1, double y1);
+  virtual void drawRectangle(Point p0, Point p1);
+
+  virtual void drawArc(int x, int y, int r);
+  virtual void drawArc(double x, double y, double r);
+  virtual void drawArc(Point p, int r);
+};
+
+// 在实现中采用多重接口继承
+class GraphicsImpl : public Graphics,  // version 1
+                     public Graphics2, // version 2
+{
+  // ...
+};

这种带版本的 interface 的做法在 COM 使用者的眼中看起来是很正常的，解决了二进制兼容性的问题，客户端源代码也不受影响。

在我看来带版本的 interface 实在是很丑陋，因为每次改动都引入了新的 interface class，会造成日后客户端代码难以管理。比如，如果代码使用了 Graphics3 的功能，要不要把现有的 Graphics2 都替换掉？

如果不替换，一个程序同时依赖多个版本的 Graphics，一直背着历史包袱。依赖的 Graphics 版本越积越多，将来如何管理得过来？

如果要替换，为什么不相干的代码（现有的运行得好好的使用 Graphics2 的代码）也会因为别处用到了 Graphics3 而被修改？

这种二难境地纯粹是“以虚函数为库的接口”造成的。如果我们能直接原地扩充 class Graphics，就不会有这些屁事，见本文“推荐做法”一节。

假如 Linux 系统调用以 COM 接口方式实现

或许上面这个 Graphics 的例子太简单，没有让“以虚函数为接口”的缺点充分暴露出来，让我们看一个真实的案例：Linux Kernel。

Linux kernel 从 0.10 的 67 个系统调用发展到 2.6.37 的 340 个，kernel interface 一直在扩充，而且保持良好的兼容性，它保持兼容性的办法很土，就是给每个 system call 赋予一个终身不变的数字代号，等于把虚函数表的排列固定下来。点开本段开头的两个链接，你就能看到 fork() 在 Linux 0.10 和 Linux 2.6.37 里的代号都是 2。（系统调用的编号跟硬件平台有关，这里我们看的是 x86 32-bit 平台。）

试想假如 Linus 当初选择用 COM 接口的链式继承风格来描述，将会是怎样一种壮观的景象？为了避免扰乱视线，请移步观看近百层继承的代码。（先后关系与版本号不一定 100% 准确，我是用 git blame 去查的，现在列出的代码只从 0.01 到 2.5.31，相信已经足以展现 COM 接口方式的弊端。）

不要误认为“接口一旦发布就不能更改”是天经地义的，那不过是“以 C++ 虚函数为接口”的固有弊端，如果跳出这个框框去思考，其实 C++ 库的接口很容易做得更好。

为什么不能改？还不是因为用了C++ 虚函数作为接口。Java 的 interface 可以添加新函数，C 语言的库也可以添加新的全局函数，C++ class 也可以添加新 non-virtual 成员函数和 namespace 级别的 non-member 函数，这些都不需要继承出新 interface 就能扩充原有接口。偏偏 COM 的 interface 不能原地扩充，只能通过继承来 workaround，产生一堆带版本的 interfaces。有人说 COM 是二进制兼容性的正面例子，某深不以为然。COM 确实以一种最丑陋的方式做到了“二进制兼容”。脆弱与僵硬就是以 C++ 虚函数为接口的宿命。

相反，Linux 系统调用以编译期常数方式固定下来，万年不变，轻而易举地解决了这个问题。在其他面向对象语言（Java/C#）中，我也没有见过每改动一次就给 interface 递增版本号的诡异做法。

还是应了《The Zen of Python》中的那句话，Explicit is better than implicit, Flat is better than nested.

动态库的接口的推荐做法

取决于动态库的使用范围，有两类做法。

如果，动态库的使用范围比较窄，比如本团队内部的两三个程序在用，用户都是受控的，要发布新版本也比较容易协调，那么不用太费事，只要做好发布的版本管理就行了。再在可执行文件中使用 rpath 把库的完整路径确定下来。

比如现在 Graphics 库发布了 1.1.0 和 1.2.0 两个版本，这两个版本可以不必是二进制兼容。用户的代码从 1.1.0 升级到 1.2.0 的时候要重新编译一下，反正他们要用新功能都是要重新编译代码的。如果要原地打补丁，那么 1.1.1 应该和 1.1.0 二进制兼容，而 1.2.1 应该和 1.2.0 兼容。如果要加入新的功能，而新的功能与 1.2.0 不兼容，那么应该发布到 1.3.0 版本。

为了便于检查二进制兼容性，可考虑把库的代码的暴露情况分辨清楚。muduo 的头文件和 class 就有意识地分为用户可见和用户不可见两部分，见 http://blog.csdn.net/Solstice/archive/2010/08/29/5848547.aspx#_Toc32039。对于用户可见的部分，升级时要注意二进制兼容性，选用合理的版本号；对于用户不可见的部分，在升级库的时候就不必在意。另外 muduo 本身设计来是以静态库方式发布，在二进制兼容性方面没有做太多的考虑。

如果库的使用范围很广，用户很多，各家的 release cycle 不尽相同，那么推荐 pimpl 技法[2, item 43]，并考虑多采用 non-member non-friend function in namespace [1, item 23] [2, item 44 abd 57] 作为接口。这里以前面的 Graphics 为例，说明 pimpl 的基本手法。

1. 暴露的接口里边不要有虚函数，而且 sizeof(Graphics) == sizeof(Graphics::Impl*)。

class Graphics
{
 public:
  Graphics(); // outline ctor
  ~Graphics(); // outline dtor

  void drawLine(int x0, int y0, int x1, int y1);
  void drawLine(Point p0, Point p1);

  void drawRectangle(int x0, int y0, int x1, int y1);
  void drawRectangle(Point p0, Point p1);

  void drawArc(int x, int y, int r);
  void drawArc(Point p, int r);

 private:
  class Impl;
  boost::scoped_ptr<Impl> impl;
};

2. 在库的实现中把调用转发 (forward) 给实现 Graphics::Impl ，这部分代码位于 .so/.dll 中，随库的升级一起变化。

#include <graphics.h>

class Graphics::Impl
{
 public:
  void drawLine(int x0, int y0, int x1, int y1);
  void drawLine(Point p0, Point p1);

  void drawRectangle(int x0, int y0, int x1, int y1);
  void drawRectangle(Point p0, Point p1);

  void drawArc(int x, int y, int r);
  void drawArc(Point p, int r);
};

Graphics::Graphics()
  : impl(new Impl)
{
}

Graphics::~Graphics()
{
}

void Graphics::drawLine(int x0, int y0, int x1, int y1)
{
  impl->drawLine(x0, y0, x1, y1);
}

void Graphics::drawLine(Point p0, Point p1)
{
  impl->drawLine(p0, p1);
}

// ...

--- old/graphics.h     2011-03-12 15:34:06.000000000 +0800
+++ new/graphics.h    2011-03-12 15:14:12.000000000 +0800
@@ -7,19 +7,22 @@
 class Graphics
 {
  public:
   Graphics(); // outline ctor
   ~Graphics(); // outline dtor

   void drawLine(int x0, int y0, int x1, int y1);
+  void drawLine(double x0, double y0, double x1, double y1);
   void drawLine(Point p0, Point p1);

   void drawRectangle(int x0, int y0, int x1, int y1);
+  void drawRectangle(double x0, double y0, double x1, double y1);
   void drawRectangle(Point p0, Point p1);

   void drawArc(int x, int y, int r);
+  void drawArc(double x, double y, double r);
   void drawArc(Point p, int r);

  private:
   class Impl;
   boost::scoped_ptr<Impl> impl;
 };

--- old/graphics.cc    2011-03-12 15:15:20.000000000 +0800
+++ new/graphics.cc   2011-03-12 15:15:26.000000000 +0800
@@ -1,35 +1,43 @@
 #include <graphics.h>

 class Graphics::Impl
 {
  public:
   void drawLine(int x0, int y0, int x1, int y1);
+  void drawLine(double x0, double y0, double x1, double y1);
   void drawLine(Point p0, Point p1);

   void drawRectangle(int x0, int y0, int x1, int y1);
+  void drawRectangle(double x0, double y0, double x1, double y1);
   void drawRectangle(Point p0, Point p1);

   void drawArc(int x, int y, int r);
+  void drawArc(double x, double y, double r);
   void drawArc(Point p, int r);
 };

 Graphics::Graphics()
   : impl(new Impl)
 {
 }

 Graphics::~Graphics()
 {
 }

 void Graphics::drawLine(int x0, int y0, int x1, int y1)
 {
   impl->drawLine(x0, y0, x1, y1);
 }

+void Graphics::drawLine(double x0, double y0, double x1, double y1)
+{
+  impl->drawLine(x0, y0, x1, y1);
+}
+
 void Graphics::drawLine(Point p0, Point p1)
 {
   impl->drawLine(p0, p1);
 }

采用 pimpl 多了一道 explicit forward 的手续，带来的好处是可扩展性与二进制兼容性，通常是划算的。pimpl 扮演了编译器防火墙的作用。

pimpl 不仅 C++ 语言可以用，C 语言的库同样可以用，一样带来二进制兼容性的好处，比如 libevent2 里边的 struct event_base 是个 opaque pointer，客户端看不到其成员，都是通过 libevent 的函数和它打交道，这样库的版本升级比较容易做到二进制兼容。

为什么 non-virtual 函数比 virtual 函数更健壮？因为 virtual function 是 bind-by-vtable-offset，而 non-virtual function 是 bind-by-name。加载器 (loader) 会在程序启动时做决议(resolution)，通过 mangled name 把可执行文件和动态库链接到一起。就像使用 Internet 域名比使用 IP 地址更能适应变化一样。

万一要跨语言怎么办？很简单，暴露 C 语言的接口。Java 有 JNI 可以调用 C 语言的代码；Python/Perl/Ruby 等等的解释器都是 C 语言编写的，使用 C 函数也不在话下。C 函数是 Linux 下的万能接口。