是否需要 std::unique_ptr<T> 才能知道 T 的完整定义？

Question

我在标题中有一些代码，如下所示：

#include <memory>

class Thing;

class MyClass
{
    std::unique_ptr< Thing > my_thing;
};

如果我在不包含 Thing 类型定义的 cpp 中包含此标头，则在 VS2010-SP1 下无法编译：

1>C:\Program Files (x86)\Microsoft 视觉工作室 10.0\VC\include\memory(2067): 错误 C2027: 使用未定义类型“事物”

将std::unique_ptr 替换为std::shared_ptr 即可编译。

所以，我猜是当前的 VS2010 std::unique_ptr 的实现需要完整的定义，并且完全依赖于实现。

是吗？它的标准要求中是否有某些内容使std::unique_ptr 的实现无法仅使用前向声明？感觉很奇怪，因为它应该只保存一个指向 Thing 的指针，不是吗？

Answer 1

我正在寻找一种将 PIMPL 成语与std::unique_ptr 结合使用的方法。 This guide 是一个很好的资源。

简而言之，您可以采取以下措施使其发挥作用：

my_class.h

#include <memory>

class Thing;

class MyClass
{
    ~MyClass(); // <--- Added
    std::unique_ptr< Thing > my_thing;
};

my_class.cpp

MyClass::~MyClass() = default; // Or a custom implementation

Answer 2

简单的答案就是使用 shared_ptr 代替。

Answer 3

看起来当前的答案并没有完全确定为什么默认构造函数（或析构函数）有问题，但在 cpp 中声明的空函数却没有。

这是发生了什么：

如果外部类（即 MyClass）没有构造函数或析构函数，则编译器会生成默认的。这样做的问题是编译器本质上在 .hpp 文件中插入了默认的空构造函数/析构函数。这意味着默认构造函数/析构函数的代码与主机可执行文件的二进制文件一起编译，而不是与库的二进制文件一起编译。然而，这个定义并不能真正构造部分类。因此，当链接器进入库的二进制文件并尝试获取构造函数/析构函数时，它找不到任何内容并且您会出错。如果构造函数/析构函数代码在您的 .cpp 中，那么您的库二进制文件可用于链接。

这与使用 unique_ptr 或 shared_ptr 无关，其他答案似乎可能会混淆旧 VC++ 中用于 unique_ptr 实现的错误（VC++ 2015 在我的机器上运行良好）。

这个故事的寓意是，您的标题需要保持不受任何构造函数/析构函数定义的影响。它只能包含他们的声明。例如，hpp 中的~MyClass()=default; 将不起作用。如果你允许编译器插入默认构造函数或析构函数，你会得到一个链接器错误。

另外一个注意事项：如果即使在 cpp 文件中有构造函数和析构函数后仍然出现此错误，那么很可能原因是您的库没有正确编译。例如，有一次我只是在 VC++ 中将项目类型从控制台更改为库，我得到了这个错误，因为 VC++ 没有添加 _LIB 预处理器符号，并且产生了完全相同的错误消息。

Answer 4

对于我来说，

QList<QSharedPointer<ControllerBase>> controllers;

只需包含标题...

#include <QSharedPointer>

Answer 5

只是为了完整性：

标题：A.h

class B; // forward declaration

class A
{
    std::unique_ptr<B> ptr_;  // ok!  
public:
    A();
    ~A();
    // ...
};

来源 A.cpp：

class B {  ...  }; // class definition

A::A() { ... }
A::~A() { ... }

类 B 的定义必须被构造函数、析构函数和任何可能隐式删除 B 的东西看到。 （虽然构造函数没有出现在上面的列表中，但在 VS2017 中，即使是构造函数也需要 B 的定义。考虑到如果构造函数中出现异常，unique_ptr 会再次被销毁，这是有道理的。）

Answer 6

这不依赖于实现。它起作用的原因是shared_ptr 确定了在运行时调用的正确析构函数——它不是类型签名的一部分。但是，unique_ptr 的析构函数是其类型的一部分，必须在编译时知道。

Answer 7

来自here。

C++ 标准库中的大多数模板都要求使用完整类型对其进行实例化。但是shared_ptr 和unique_ptr 是部分 例外。一些，但不是所有的成员都可以用不完整的类型来实例化。这样做的动机是使用智能指针支持 pimpl 等惯用语，并且不会冒未定义行为的风险。

当您有一个不完整的类型并在其上调用delete 时，可能会发生未定义的行为：

class A;
A* a = ...;
delete a;

以上为合法代码。它会编译。您的编译器可能会也可能不会针对上述代码发出警告。当它执行时，很可能会发生不好的事情。如果你很幸运，你的程序会崩溃。然而，更可能的结果是您的程序将默默地泄漏内存，因为不会调用 ~A()。

在上面的例子中使用auto_ptr<A> 没有帮助。您仍然会得到与使用原始指针相同的未定义行为。

尽管如此，在某些地方使用不完整的类是非常有用的！这是shared_ptr 和unique_ptr 提供帮助的地方。使用这些智能指针之一将使您摆脱不完整的类型，除非需要具有完整的类型。最重要的是，当需要一个完整的类型时，如果你尝试使用具有不完整类型的智能指针，则会出现编译时错误。

不再有未定义的行为：

如果您的代码可以编译，那么您在任何需要的地方都使用了完整的类型。

class A
{
    class impl;
    std::unique_ptr<impl> ptr_;  // ok!

public:
    A();
    ~A();
    // ...
};

shared_ptr 和 unique_ptr 在不同的地方需要一个完整的类型。原因不明，与动态删除器与静态删除器有关。确切的原因并不重要。事实上，在大多数代码中，确切地知道需要完整类型的位置并不重要。只是代码，如果你写错了，编译器会告诉你的。

但是，如果对您有帮助，这里有一个表格，其中记录了 shared_ptr 和 unique_ptr 的几个成员关于完整性要求的内容。如果成员需要一个完整的类型，那么条目有一个“C”，否则表格条目用“I”填充。

Complete type requirements for unique_ptr and shared_ptr

                            unique_ptr       shared_ptr
+------------------------+---------------+---------------+
|          P()           |      I        |      I        |
|  default constructor   |               |               |
+------------------------+---------------+---------------+
|      P(const P&)       |     N/A       |      I        |
|    copy constructor    |               |               |
+------------------------+---------------+---------------+
|         P(P&&)         |      I        |      I        |
|    move constructor    |               |               |
+------------------------+---------------+---------------+
|         ~P()           |      C        |      I        |
|       destructor       |               |               |
+------------------------+---------------+---------------+
|         P(A*)          |      I        |      C        |
+------------------------+---------------+---------------+
|  operator=(const P&)   |     N/A       |      I        |
|    copy assignment     |               |               |
+------------------------+---------------+---------------+
|    operator=(P&&)      |      C        |      I        |
|    move assignment     |               |               |
+------------------------+---------------+---------------+
|        reset()         |      C        |      I        |
+------------------------+---------------+---------------+
|       reset(A*)        |      C        |      C        |
+------------------------+---------------+---------------+

任何需要指针转换的操作都需要unique_ptr 和shared_ptr 的完整类型。

仅当编译器不需要设置对~unique_ptr<A>() 的调用时，unique_ptr<A>{A*} 构造函数才能摆脱不完整的A。例如，如果您将unique_ptr 放在堆上，则可以使用不完整的A。关于这一点的更多细节可以在BarryTheHatchet's答案here找到。

Answer 8

在模板实例化时需要完整的事物定义。这就是 pimpl idiom 编译的确切原因。

如果不可能，人们不会问像this 这样的问题。

Answer 9

编译器需要 Thing 的定义来为 MyClass 生成默认的析构函数。如果显式声明析构函数并将其（空）实现移动到 CPP 文件，则代码应该可以编译。