unique_ptr 和前向声明：编写工厂函数的正确方法

Question

最近学习了智能ptrs，我正在尝试编写一个返回unique_ptrs的工厂函数。在阅读了几篇关于将创建时间与明确定义的 ctor 和 dtor 放在同一个 cpp 文件中的文章后，我想我可以这样做：

// factory.hpp

struct Foo;

std::unique_ptr<Foo> create();

// foo.cpp

struct Foo {
    Foo();
    ~Foo();
    Foo(const Foo &);
    Foo(Foo &&);
};

std::unique_ptr<Foo> create() {
    return make_unique<Foo>();
}

#include "factory.hpp"


int main() {
    auto r = create();
    return 0;
}

但是我收到了不完整的类型错误。然后经过几个小时的网络搜索和实验， 我意识到我什至不能这样做：

这是经典的 unique_ptr Pimpl 习语。

// A.hpp

struct B;

struct A {
    A();
    ~A();
    unique_ptr<B> b;
};

// A.cpp

struct B {};

A::A() = default;

A::~A() = default;

#include "A.hpp"


int main() {
    A a;   // this is fine since we are doing the Pimpl correctly.

    // Now, I can't do this.
    auto b = std::move(a.b);   // <--- Can't do this.

    return 0;
}

为了讨论，请忽略std::move 行毫无意义的事实。 我得到了同样的不完整类型错误。

以上两种情况本质上是一样的。经过一番搜索，我想我明白了错误背后的原因， 但我想要一些指示（双关语）和你们的确认。

1. 删除不完整的类型是UB。这就是为什么禁止使用默认删除器创建具有不完整类型的 unique_ptrs。
2. 如果我使用自定义删除器，我应该能够做到这一点。
3. 我猜是因为在我的情况下我使用的是默认删除器，所以由于某种我不太确定的原因，我无法完成。

明确定义创建和销毁函数应该可以解决问题。但对我来说，这很丑陋。一方面，我的情况是默认删除器。 另一方面，在我看来，我不能使用 lambda 作为销毁器，因为 lambda 的类型只有编译器知道， 我不能用decltype 做我的工厂函数声明。

所以我的问题是：

1. 这次失败的原因是什么？
2. 编写返回 unique_ptrs 的工厂函数的正确方法是什么？

如果我说的有问题，请纠正我。任何指针将不胜感激。

Answer 1

当编译器实例化std::unique_ptr<Foo>的析构函数时，编译器必须找到Foo::~Foo()并调用它。这意味着Foo 在std::unique_ptr<Foo> 被销毁时必须是一个完整的类型。

这段代码很好：

struct Foo;

std::unique_ptr<Foo> create();

...只要你不需要调用std::unique_ptr<Foo>的析构函数！对于将std::unique_ptr 返回给类的工厂函数，该类需要是完整类型。这就是你声明工厂的方式：

#include "foo.hpp"

std::unique_ptr<Foo> create();

您似乎正确地使用std::unique_ptr 实现 pimpl。您必须在 B 完成的位置（在 cpp 文件中）定义 A::~A()。您必须在同一位置定义A::A()，因为如果您要分配内存并调用其构造函数，B 必须是完整的。

所以这很好：

// a.hpp

struct A {
  A();
  ~A();

private:
  struct B;
  std::unique_ptr<B> b;
};

// a.cpp

struct A::B {
  // ...  
};

A::A()
  : b{std::make_unique<B>()} {}

A::~A() = default;

现在让我们考虑一下（我们假设我没有将 b 设为私有）：

int main() {
  A a;
  auto b = std::move(a.b);
}

这里到底发生了什么？

1. 我们正在构建一个std::unique_ptr<B> 来初始化b。
2. b 是一个局部变量，这意味着它的析构函数将在作用域结束时被调用。
3. 当 std::unique_ptr<B> 的析构函数被实例化时，B 必须是完整类型。
4. B 是不完整的类型，因此我们无法销毁 b。

好的，所以如果 B 是不完整的类型，则不能传递 std::unique_ptr<B>。这种限制是有道理的。 pimpl 的意思是“指向实现的指针”。外部代码访问A 的实现是没有意义的，所以A::b 应该是私有的。如果你必须访问A::b，那么这不是 pimpl，这是别的东西。

如果您确实必须访问A::b，同时隐藏B 的定义，那么有一些解决方法。

std::shared_ptr<B>。这会以多态方式删除对象，因此当 std::shared_ptr<B> 的析构函数被实例化时，B 不需要是完整类型。它不如std::unique_ptr<B> 快，除非绝对必要，否则我个人更喜欢避免使用std::shared_ptr。

std::unique_ptr<B, void(*)(B *)>。类似于std::shared_ptr<B> 删除对象的方式。函数指针在负责删除的构造上传递。这会带来不必要的函数指针开销。

std::unique_ptr<B, DeleteB>。最快的解决方案。但是，如果您有多个 pimpl（但不是真正的 pimpl）类，可能会有点烦人，因为您无法定义模板。你会这样做：

// a.hpp

struct DeleteB {
  void operator()(B *) const noexcept;
};

// a.cpp

void DeleteB::operator()(B *b) const noexcept {
  delete b;
}

定义自定义删除器可能是最好的选择，但如果我是你，我会找到一种方法来避免需要从类外部访问实现细节。