C++中的ABI稳定性与跨版本兼容性：如何在不破坏兼容性的情况下修改类结构 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

好的，我们开始今天的主题：C++中的ABI稳定性与跨版本兼容性，以及如何在不破坏兼容性的情况下修改类结构。这是一个非常重要的议题，尤其是在开发长期维护的库或框架时。

什么是ABI和API？

首先，我们明确一下API（Application Programming Interface）和ABI（Application Binary Interface）的区别。

API (Application Programming Interface)：API定义了源代码级别的接口，例如函数签名、类定义、数据类型等。如果API发生了变化，意味着你需要修改调用代码才能编译通过。
ABI (Application Binary Interface)：ABI定义了编译后的二进制代码级别的接口。它包括内存布局、函数调用约定、名称修饰、异常处理机制等。如果ABI发生了变化，即使源代码不需要修改，也可能导致链接错误或运行时崩溃。

简单来说，API是“源代码可见的接口”，而ABI是“二进制代码可见的接口”。

ABI稳定性为何重要？

ABI稳定性至关重要，原因如下：

二进制兼容性：保持ABI稳定意味着使用旧版本编译的程序可以在不重新编译的情况下使用新版本的库。这对于依赖于第三方库的大型项目至关重要，因为重新编译所有代码成本高昂且容易引入错误。
插件系统：许多应用程序使用插件系统来扩展功能。如果插件的ABI与主程序的ABI不兼容，插件将无法加载或运行。
操作系统：操作系统提供给应用程序的接口通常需要保持ABI稳定，以确保现有应用程序可以在新的操作系统版本上运行。

破坏ABI的常见原因

以下是一些常见的导致ABI破坏的原因：

修改类成员变量的顺序：改变成员变量的顺序会改变类在内存中的布局。
添加或删除私有成员变量：即使是私有成员变量也会影响类的内存布局。
修改虚函数表 (vtable)：添加、删除或重新排序虚函数会改变vtable的结构。
更改继承关系：改变类的继承关系会改变类的内存布局和vtable。
修改函数签名：更改函数参数类型或返回类型会改变函数调用约定。
更改名称修饰 (name mangling)：C++编译器使用名称修饰来编码函数和变量的名称。更改编译器或编译器设置可能会导致不同的名称修饰方案。

如何检查ABI兼容性？

有很多工具可以帮助你检查ABI兼容性。其中一种常用的工具是abi-compliance-checker。它可以比较两个版本的库，并报告ABI差异。

在不破坏ABI的情况下修改类结构

现在，我们来讨论如何在不破坏ABI的情况下修改类结构。这需要仔细的设计和一些常用的技巧。

1. Pimpl (Pointer to Implementation) 惯用法

Pimpl（指针指向实现）是一种将类的实现细节隐藏在单独的类中的技术。这允许你在不改变公共接口的情况下修改实现细节，从而保持ABI稳定。

// MyClass.h
class MyClass {
public:
    MyClass();
    ~MyClass();

    void doSomething();

private:
    class Impl;
    Impl* pImpl;
};

// MyClass.cpp
#include "MyClass.h"

#include <iostream> // 仅在实现中使用

class MyClass::Impl {
public:
    void doSomethingImpl() {
        std::cout << "Doing something in the implementation." << std::endl;
    }
};

MyClass::MyClass() : pImpl(new Impl()) {}
MyClass::~MyClass() { delete pImpl; }

void MyClass::doSomething() {
    pImpl->doSomethingImpl();
}

在这个例子中，MyClass 的实现细节被移动到了 Impl 类中。MyClass 的公共接口只包含一个指向 Impl 的指针。你可以随意修改 Impl 类，而不会影响 MyClass 的ABI。关键点在于，MyClass 的大小和成员变量布局没有改变。

2. 添加填充 (Padding)

当需要添加新的成员变量时，可以考虑使用填充来预留空间。这可以在不改变现有成员变量的偏移量的情况下添加新成员。

class MyClass {
public:
    int a;
    int b;
private:
    // 填充，预留足够的空间给未来新增的成员变量
    char padding[32];
};

这种方法适用于你知道将来可能需要添加多少成员变量的情况。但是，它会增加类的大小，并且如果预留空间不足，仍然可能需要破坏ABI。

3. 使用不透明指针 (Opaque Pointers)

不透明指针是一种指向未定义类型的指针。这可以隐藏类的实现细节，并允许你在不改变公共接口的情况下修改实现。

// MyClass.h
class MyClass; // 前向声明

MyClass* createMyClass();
void destroyMyClass(MyClass* obj);
void myClassDoSomething(MyClass* obj);

// MyClass.cpp
#include "MyClass.h"
#include <iostream>

class MyClassImpl {
public:
    void doSomethingImpl() {
        std::cout << "Doing something in the implementation." << std::endl;
    }
};

MyClass* createMyClass() {
    return reinterpret_cast<MyClass*>(new MyClassImpl());
}

void destroyMyClass(MyClass* obj) {
    delete reinterpret_cast<MyClassImpl*>(obj);
}

void myClassDoSomething(MyClass* obj) {
    reinterpret_cast<MyClassImpl*>(obj)->doSomethingImpl();
}

在这个例子中，MyClass 是一个不完整的类型。客户端代码只能通过 createMyClass、destroyMyClass 和 myClassDoSomething 函数来操作 MyClass 对象。你可以随意修改 MyClassImpl 类，而不会影响 MyClass 的ABI。

4. 版本控制

版本控制是一种管理ABI变化的策略。你可以为每个ABI版本定义一个不同的类或接口，并使用版本号来区分它们。

// MyClass_v1.h
class MyClass_v1 {
public:
    virtual void doSomething() = 0;
};

// MyClass_v2.h
class MyClass_v2 : public MyClass_v1 {
public:
    virtual void doSomethingElse() = 0;
};

客户端代码可以使用版本号来选择使用哪个版本的类或接口。这种方法需要更多的维护工作，但可以提供最大的灵活性。

5. 增加虚函数

在类的末尾增加虚函数通常是ABI兼容的。因为这只会影响vtable的结构，而不会改变现有成员变量的偏移量。 但是，在虚函数中间插入新的虚函数会破坏ABI。

class MyClass {
public:
    virtual void doSomething();
    virtual void doSomethingElse(); // 添加的新虚函数
};

6. 使用标准库类型

尽可能使用标准库类型，例如 std::string、std::vector 等。这些类型通常具有稳定的ABI，并且可以在不同的编译器和平台上使用。但是，需要注意标准库的实现可能随编译器版本而改变，某些特殊情况下也可能导致ABI不兼容。

7. 避免使用编译器特定的扩展

避免使用编译器特定的扩展，因为这些扩展可能会导致ABI不兼容。尽可能使用标准C++特性。

代码示例：添加成员变量并保持ABI兼容

假设我们有一个简单的类：

// MyClass.h
class MyClass {
public:
    MyClass(int a, int b);
    int getA() const;
    int getB() const;

private:
    int a;
    int b;
};

// MyClass.cpp
#include "MyClass.h"

MyClass::MyClass(int a, int b) : a(a), b(b) {}

int MyClass::getA() const { return a; }
int MyClass::getB() const { return b; }

现在，我们需要添加一个新的成员变量 c。如果我们直接在类中添加 c，就会破坏ABI。

错误的做法：直接添加成员变量

// MyClass.h (修改后的版本，破坏ABI)
class MyClass {
public:
    MyClass(int a, int b, int c);
    int getA() const;
    int getB() const;
    int getC() const;

private:
    int a;
    int b;
    int c; // 添加了新的成员变量
};

这种修改会导致旧版本的程序无法正确访问 MyClass 对象，因为 a 和 b 的偏移量已经改变。

正确的做法：使用 Pimpl 惯用法

// MyClass.h
class MyClass {
public:
    MyClass(int a, int b, int c);
    ~MyClass();

    int getA() const;
    int getB() const;
    int getC() const;

private:
    class Impl;
    Impl* pImpl;
};

// MyClass.cpp
#include "MyClass.h"

#include <iostream> // 仅在实现中使用

class MyClass::Impl {
public:
    Impl(int a, int b, int c) : a(a), b(b), c(c) {}

    int a;
    int b;
    int c;
};

MyClass::MyClass(int a, int b, int c) : pImpl(new Impl(a, b, c)) {}
MyClass::~MyClass() { delete pImpl; }

int MyClass::getA() const { return pImpl->a; }
int MyClass::getB() const { return pImpl->b; }
int MyClass::getC() const { return pImpl->c; }

通过使用 Pimpl 惯用法，我们将 MyClass 的实现细节隐藏在 Impl 类中。MyClass 的公共接口只包含一个指向 Impl 的指针。即使我们添加了新的成员变量 c，MyClass 的ABI仍然保持不变。

总结性表格：各种方法的优缺点

方法	优点	缺点	适用场景
Pimpl 惯用法	隐藏实现细节，易于修改，保持ABI稳定	增加间接访问的开销，需要更多的代码	需要频繁修改实现细节，但又要保持ABI稳定的情况
添加填充	简单易用，不需要修改公共接口	浪费内存，如果预留空间不足，仍然可能需要破坏ABI	知道将来可能需要添加多少成员变量，但又不希望使用Pimpl惯用法的情况
使用不透明指针	最大程度地隐藏实现细节，允许完全修改实现	需要额外的函数来操作对象，增加间接访问的开销	需要完全隐藏实现细节，并且不希望暴露类的任何内部结构的情况
版本控制	可以同时支持多个ABI版本，提供最大的灵活性	需要更多的维护工作，客户端代码需要知道使用哪个版本	需要支持多个ABI版本，并且希望客户端代码可以选择使用哪个版本的情况
增加虚函数（末尾）	相对简单，对已有代码影响小	增加虚函数表的大小，不适用于不需要多态的类，在虚函数中间插入会破坏ABI	仅仅是想通过虚函数实现多态，并且不想破坏ABI的情况。
使用标准库类型	具有稳定的ABI，可以在不同的编译器和平台上使用	标准库的实现可能随编译器版本而改变，某些特殊情况下也可能导致ABI不兼容。	大部分情况下，推荐使用标准库类型代替自定义类型。
避免编译器特定的扩展	提高代码的可移植性和ABI稳定性	可能需要使用更多的代码来实现相同的功能	任何情况下都应该避免使用编译器特定的扩展。

需要特别注意的点

编译器和编译选项：不同的编译器和编译选项可能会生成不同的ABI。在发布库时，应该使用相同的编译器和编译选项来编译所有代码。
标准库：标准库的ABI可能会在不同的编译器版本之间发生变化。尽可能使用与库一起发布的标准库版本。
异常处理：异常处理机制也会影响ABI。在发布库时，应该使用相同的异常处理机制来编译所有代码。
模板：模板的实例化会导致代码膨胀，并且可能会增加ABI的复杂性。应该尽量减少模板的使用，或者使用显式实例化来控制模板的生成。

一些设计原则

最小化公共接口：只暴露必要的公共接口，隐藏实现细节。
使用抽象类和接口：使用抽象类和接口可以更容易地修改实现，而不会影响公共接口。
避免暴露内部数据结构：不要在公共接口中暴露内部数据结构，例如 std::vector 或 std::map。
使用版本控制：为每个ABI版本定义一个不同的类或接口，并使用版本号来区分它们。
进行充分的测试：在修改类结构后，进行充分的测试以确保ABI兼容性。

总结：保持ABI稳定是长期维护的关键

在C++中，ABI稳定性是一个复杂但至关重要的问题。通过使用Pimpl惯用法、添加填充、使用不透明指针、版本控制等技术，可以在不破坏ABI的情况下修改类结构。遵循一些设计原则，例如最小化公共接口、使用抽象类和接口、避免暴露内部数据结构等，可以更容易地保持ABI稳定。理解并实践这些方法，可以确保你的库或框架在长期维护过程中保持兼容性，并避免不必要的重新编译和部署。记住，仔细的设计和充分的测试是保持ABI稳定的关键。

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