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C++面试题：C++怎么避免头文件循环引用？

news 来源：原创 2025/5/11 14:55:58

头文件循环引用是C++编程中常见的问题，通常发生在两个或多个头文件相互包含对方的情况下。这种情况下，编译器可能会陷入无限递归，导致编译错误或不正确的代码生成。

1、问题描述

首先看一个典型的循环引用场景:

// a.h
#ifndef A_H
#define A_H
#include "b.h"

class A {
    B* b_ptr;  // 需要完整的B类定义
public:
    void doSomething();
};
#endif

// b.h
#ifndef B_H
#define B_H
#include "a.h"

class B {
    A* a_ptr;  // 需要完整的A类定义
public:
    void doSomething();
};
#endif

这会导致编译错误,因为两个头文件互相包含。

2、解决方案

2.1 前向声明

最常用也是最简单的方法：

// a.h
#ifndef A_H
#define A_H

class B;  // 前向声明

class A {
    B* b_ptr;  // 只需要不完整类型声明
public:
    void doSomething();
};
#endif

// b.h
#ifndef B_H
#define B_H

class A;  // 前向声明

class B {
    A* a_ptr;  // 只需要不完整类型声明
public:
    void doSomething();
};
#endif

// a.cpp
#include "a.h"
#include "b.h"  // 在实现文件中包含完整定义

void A::doSomething() {
    b_ptr->doSomething();
}

// b.cpp
#include "b.h"
#include "a.h"  // 在实现文件中包含完整定义

void B::doSomething() {
    a_ptr->doSomething();
}

2.2 接口分离原则

循环引用的根本原因是设计上的问题。通过重构代码，减少类之间的直接依赖，可以从根本上解决问题。例如，可以考虑将共同的功能提取到一个独立的模块中，或者使用接口或抽象类来解耦类之间的关系

假设 A 和 B 之间有很强的依赖关系，可以通过引入一个中间类 C 来解耦：

引入类C

// C.h
#ifndef C_H
#define C_H

class C {
public:
    virtual void doSomething() = 0;
    virtual ~C() = default;
};

#endif // C_H

类A

// A.h
#ifndef A_H
#define A_H

#include "C.h"  // 只依赖于 C

class A:public C
{
public:
    C* m_Pc;;
public:
    void setProcessor(C* p) { m_Pc = p; }
    void doWork() { m_Pc->doSomething(); }

    void doSomething() override
    {
        std::cout << "A do something" << std::endl;
    }
};

#endif // A_H

类B

// B.h
#ifndef B_H
#define B_H

#include "C.h"  // 只依赖于 C

class B : public C
{
public:
    C* m_Pc;;
public:
    void setProcessor(C* p) { m_Pc = p; }
    void doWork() { m_Pc->doSomething(); }

public:
    void doSomething() override
    {
        std::cout << "B Do Something" << std::endl;
    }
};
#endif // B_H

main函数使用

#include <iostream>
#include "a.h"
#include "b.h"
#include "c.h"
int main()
{
        {
                C* pC = new B();
                A a;
                a.setProcessor(pC);
                a.doWork();
        }
        {
                C* pC = new A();
                B b;
                b.setProcessor(pC);
                b.doWork();
        }
        return 0;
}

运行main函数，a.dowork输出是B的内容，b.dowork是A的内容。

2.3 PIMPL模式

PIMPL模式不能直接解决循环依赖问题，但是这种做法很常见，所以这里简单介绍下

PIMPL（Pointer to IMPLementation，指向实现的指针）模式是一种用于隐藏类的实现细节的设计模式。它通过将类的私有成员和实现细节移到一个独立的实现类中，并在头文件中只保留一个指向该实现类的指针，PIMPL 模式的核心思想是将类的接口与其实现分离。

使用 PIMPL 模式重构代码

类A

// A.h
#ifndef A_H
#define A_H

class A {
public:
    A();
    ~A();
    void doSomething();

private:
    class Impl;  // 前向声明实现类
    std::unique_ptr<Impl> pImpl;  // 指向实现类的智能指针
};

#endif // A_H

// A.cpp
#include "A.h"
#include "B.h"  // 只在 .cpp 文件中包含 B 的头文件

class A::Impl {
public:
    B* m_B;  // 实现类中持有 B 的指针
    void doSomething() {
        if (m_B) {
            m_B->doSomething();
        }
    }
};

A::A() : pImpl(std::make_unique<Impl>()) {
    pImpl->m_B = nullptr;
}

A::~A() = default;

void A::doSomething() {
    pImpl->doSomething();
}

类B

// B.h
#ifndef B_H
#define B_H
class B {
public:
    B(); 
    ~B();
    void doSomething();

private:
    class Impl;  // 前向声明实现类
    std::unique_ptr<Impl> pImpl;  // 指向实现类的智能指针
};

#endif // B_H

// B.cpp
#include "B.h"
#include "A.h"  // 只在 .cpp 文件中包含 A 的头文件

class B::Impl {
public:
    A* m_A;  // 实现类中持有 A 的指针
    void doSomething() {
        if (m_A) {
            m_A->doSomething();
        }
    }
};

B::B() : pImpl(std::make_unique<Impl>()) {
    pImpl->m_A = nullptr;
}

B::~B() = default;

void B::doSomething() {
    pImpl->doSomething();
}