C++ 简单工厂模式与反射机制

2020-06-06  本文已影响0人  从不中二的忧伤

Java的反射机制是指在程序运行状态中，构造任意一个类的对象，可以了解任意一个对象所属的类，可以了解任意一个类的成员变量和方法，可以调用任意一个对象的属性和方法。这种动态获取程序信息以及动态调用对象的功能称为Java语言的反射机制。

问题引入：

那么C++中能否实现类似的反射机制，根据给定的字符串（类的名字），生成类的对象呢？

简单工厂模式：
#include <iostream>
using namespace std;

class Base
{
public:
    virtual void print()
    {
        cout << "Base" << endl;
    }
};

class Derive1 : public Base
{
public:
    virtual void print()
    {
        cout << "Derive1" << endl;
    }
};

class Derive2 : public Base
{
public:
    virtual void print()
    {
        cout << "Derive2" << endl;
    }   
};



class Factory
{
public:
    static Base* build(const string& className)
    {
        if("Derive1" == className)
        {
            return new Derive1; 
        }
        if("Derive2" == className)
        {
            return new Derive2; 
        }
        return 0;
    }
};

int main()
{   
    Base* p1 = Factory::build("Derive1");
    p1->print();
    
    Base* p2 = Factory::build("Derive2");
    p2->print();

    return 0;
}

通过简单工厂模式，的确可以实现根据"类名字符串"，生成对应的对象。但是，这种操作下，一旦需要新增类时，就必须修改 生成对象的 Factory 类。 有没有什么办法能够不需要修改 Factory呢？
其实通过回调函数引入“注册”机制，就能比较好的实现这一想法：

工厂模式结合注册机制
方法一：

为了实现反射，可以设计以下四种角色：


一、工厂类

  1. 单例模式，保证只有一份实例
  2. 维护私有 map 用于记录 应用类名 - 应用类的反射成员
  3. 提供注册接口，用于注入 应用类名 - 应用类的反射成员
  4. 提供获取应用类的实例接口，通过维护的 应用类的反射成员 的 应用类的回调函数 初始化应用类的实例

二、 反射类

  1. 维护应用类的 类名 和 类的回调函数
  2. 在构造函数中，调用工厂的注册接口
  3. 提供调用回调函数的接口，用以初始化应用类的实例

三、基类

  1. 用于承载回调函数类型

四、应用类（子类）

  1. 维护应用类的反射类
  2. 定义回调函数，返回应用类的实例
  3. 应用成员......
  4. 实例化应用类的反射类，以实现在反射类的构造函数中向工厂类注册入map

一、工厂类：

class Factory
{
private:
    Factory(){ cout << "Factory()" << endl; }
    
public:
    ~Factory(){ cout << "~Factory()" << endl; }
    
public:
    static Factory& getInstance();
    
    // 将子类的 Reflector 指针注册到 map 中 
    void Register(Reflector* reflector);
    
    // 根据类名返回实例 
    Base* getObject(string className);

private:
    map<string, Reflector*> objectMap;
};



Factory& Factory::getInstance()
{
    static Factory factory;
    return factory;
}

void Factory::Register(Reflector* reflector)
{
    if (reflector)
    {
        objectMap.insert(map<string, Reflector*>::value_type(reflector->m_cname, reflector));
    }
}

Base* Factory::getObject(string className)
{
    map<string, Reflector*>::const_iterator iter = objectMap.find(className);
    if (iter != objectMap.end())
    {
        return iter->second->getObjectInstance();
    }
}



二、反射类

typedef Base* (*ObjectConstructor)();
class Reflector
{
public:
    Reflector(string name, ObjectConstructor objc) : m_cname(name), m_objc(objc)
    {
        cout << "Reflector()" << endl;
        Factory::getInstance().Register(this);
    }
    virtual ~Reflector(){ cout << "~Reflector()" << endl; }
    
    Base* getObjectInstance();

public:
    string m_cname;
    ObjectConstructor m_objc;
};

Base* Reflector::getObjectInstance()
{
    return m_objc();    
}



三、基类

// 支持反射的基类
class Base
{
public:
    Base(){ cout << "Base()" << endl; }
    virtual ~Base(){ cout << "~Base()" << endl; }
    virtual void print(){
        cout << "Base print()" << endl;
    }
};



四、应用类

class Derive : public Base
{
public:
    Derive(){ cout << "Derive()" << endl; }
    virtual ~Derive(){ cout << "~Derive()" << endl; }
    
    static Base* CreateObject()
    {
        return new Derive;
    }
    
    void print()
    {
        cout << "Derive print()" << endl;
    }
    
protected:
    static Reflector m_reflector;   
};
Reflector Derive::m_reflector("Derive", Derive::CreateObject);

主函数调用：

int main()
{   
    Base* p = Factory::getInstance().getObject("Derive");
    if (p)
    {
        p->print();
    }
    delete p;
    
    return 0;
}

根据应用类的实现，可以看到，每个支持反射的应用类，都需要写相同的 CreateObject() 和 m_reflector。以及都需要去初始化自身的 m_reflector 实现注册。实际上，如果写好宏定义，每个应用类需要的代码量就会大大减少：


宏定义实现：

#define DELCLARE_CLASS(className) \
    public: \
        static Base* CreateObject() \
        {   \
            return new className;   \
        }   \
    protected:  \
        static Reflector m_reflector;   \

#define REGISTER_CLASS(className) \
    Reflector className::m_reflector(#className, className::CreateObject);

应用类定义：

class Derive : public Base
{
DELCLARE_CLASS(Derive);

public:
    Derive(){ cout << "Derive()" << endl; }
    virtual ~Derive(){ cout << "~Derive()" << endl; }
    
    void print()
    {
        cout << "Derive print()" << endl;
    }
        
};
REGISTER_CLASS(Derive);

完整代码实现：

reflect_1.h

#ifndef _REFLECT_1_H_
#define _REFLECT_1_H_

#include <iostream>
#include <map>

using namespace std;

class Reflector;

// 支持反射的基类
class Base
{
public:
    Base(){ cout << "Base()" << endl; }
    virtual ~Base(){ cout << "~Base()" << endl; }
    virtual void print(){
        cout << "Base print()" << endl;
    }
};

// 工厂类 
// - 提供注册接口，注册子类的 Reflector 对象
// - 提供返回创建对象接口，根据子类类名返回实例
class Factory
{
private:
    Factory(){ cout << "Factory()" << endl; }
    
public:
    ~Factory(){ cout << "~Factory()" << endl; }
    
public:
    static Factory& getInstance();
    
    // 将子类的 Reflector 指针注册到 map 中 
    void Register(Reflector* reflector);
    
    // 根据类名返回实例 
    Base* getObject(string className);

private:
    map<string, Reflector*> objectMap;
};


typedef Base* (*ObjectConstructor)();

// 实现反射的类 
// - 构造时将自身的(实际上就是子类的) className 和 Reflector写入 map 中
// - 回调函数实现返回子类的实例 
class Reflector
{
public:
    Reflector(string name, ObjectConstructor objc) : m_cname(name), m_objc(objc)
    {
        cout << "Reflector()" << endl;
        Factory::getInstance().Register(this);
    }
    virtual ~Reflector(){ cout << "~Reflector()" << endl; }
    
    Base* getObjectInstance();

public:
    string m_cname;
    ObjectConstructor m_objc;
};

// impl
Factory& Factory::getInstance()
{
    static Factory factory;
    return factory;
}

void Factory::Register(Reflector* reflector)
{
    if (reflector)
    {
        objectMap.insert(map<string, Reflector*>::value_type(reflector->m_cname, reflector));
    }
}

Base* Factory::getObject(string className)
{
    map<string, Reflector*>::const_iterator iter = objectMap.find(className);
    if (iter != objectMap.end())
    {
        return iter->second->getObjectInstance();
    }
}


Base* Reflector::getObjectInstance()
{
    return m_objc();    
} 


#define DELCLARE_CLASS(className) \
    public: \
        static Base* CreateObject() \
        {   \
            return new className;   \
        }   \
    protected:  \
        static Reflector m_reflector;   \

#define REGISTER_CLASS(className) \
    Reflector className::m_reflector(#className, className::CreateObject);


#endif



reflect_1.cpp

#include "reflect_1.h"

#include <iostream>

using namespace std;

// 支持反射的子类
class Derive : public Base
{
DELCLARE_CLASS(Derive);

public:
    Derive(){ cout << "Derive()" << endl; }
    virtual ~Derive(){ cout << "~Derive()" << endl; }
    
    void print()
    {
        cout << "Derive print()" << endl;
    }
        
};
REGISTER_CLASS(Derive);

class Derive2 : public Base
{
DELCLARE_CLASS(Derive2);

public:
    void print()
    {
        cout << "Derive2 print()" << endl;
    }
};
REGISTER_CLASS(Derive2);

int main()
{   
    Base* p = Factory::getInstance().getObject("Derive");
    if (p)
    {
        p->print();
    }
    delete p;
    
    Base* p2 = Factory::getInstance().getObject("Derive2");
    if (p2)
    {
        p2->print();
    }
    delete p2;
    
    return 0;
}
方法二：

目前为止，已经实现了C++的反射机制，但是是否有继续优化的空间呢~？
其实在工厂类维护 map 的时候，可以直接维护 类名 - 类的函数指针 ，不需要通过 Reflector 再转一层。

基类：

// 支持反射的基类
class Base
{
public:
    Base(){ cout << "Base()" << endl; }
    virtual ~Base(){ cout << "~Base()" << endl; }
    
    virtual void print(){
        cout << "Base print()" << endl;
    }
};

typedef Base* (*ObjectConstructor)();



工厂类：
注意维护的 map 已变成 map<string, ObjectConstructor> objectMap; 在getObject中，直接iter->second() 即返回了对应的 Base*。

class Factory
{
private:
    Factory(){ cout << "Factory()" << endl; }
    
public:
    ~Factory(){ cout << "~Factory()" << endl; }
    
public:
    static Factory& getInstance();
    
    void Register(string className, ObjectConstructor objc);
    
    Base* getObject(string className);

private:
    map<string, ObjectConstructor> objectMap;
};



Factory& Factory::getInstance()
{
    static Factory factory;
    return factory;
}

void Factory::Register(string className, ObjectConstructor m_objc)
{
    if (m_objc)
    {
        objectMap.insert(map<string, ObjectConstructor>::value_type(className, m_objc));
    }
}

Base* Factory::getObject(string className)
{
    map<string, ObjectConstructor>::const_iterator iter = objectMap.find(className);
    if (iter != objectMap.end())
    {
        return iter->second();
    }
}



反射类
反射类中无需再维护应用类的 类名 和 ObjectConstructor

class Reflector
{
public:
    Reflector(string name, ObjectConstructor objc)
    {
        cout << "Reflector()" << endl;
        Factory::getInstance().Register(name, objc);
    }
    virtual ~Reflector(){ cout << "~Reflector()" << endl; }

};



应用类

class Derive : public Base
{
public:
    Derive(){ cout << "Derive()" << endl; }
    virtual ~Derive(){ cout << "~Derive()" << endl; }
    
    void print()
    {
        cout << "Derive print()" << endl;
    }
};

Base* CreateObject()
{
    return new Derive;  
} 
// 通过 Reflector 构造函数向工厂类中注册
Reflector reflector("Derive", CreateObject);

同样通过定义宏的方式简化，注意因为Reflector不再维护应用类的信息，而只是单纯的做注册，每个应用类的 CreateObject 和 对应的 reflector 不再需要作为应用类的成员。 所以在定义 CreateObject 和 实例化 reflector时，需要加上应用类的特殊标识。 这里利用宏，将应用类的 className 拼接在对应的 CreateObject 和 reflector 后面：

#define REGISTER(className) \
    Base* CreateObject##className() \
    { \
        return new className; \
    } \
    Reflector reflector##className(#className, CreateObject##className); \

完整代码：
reflect_2.h

#ifndef _REFLECT_1_H_
#define _REFLECT_1_H_

#include <iostream>
#include <map>

using namespace std;

// 支持反射的基类
class Base
{
public:
    Base(){ cout << "Base()" << endl; }
    virtual ~Base(){ cout << "~Base()" << endl; }
    
    virtual void print(){
        cout << "Base print()" << endl;
    }
};

typedef Base* (*ObjectConstructor)();

// 工厂类 
// - 提供注册接口，注册子类的 Reflector 对象
// - 提供返回创建对象接口，根据子类类名返回实例
class Factory
{
private:
    Factory(){ cout << "Factory()" << endl; }
    
public:
    ~Factory(){ cout << "~Factory()" << endl; }
    
public:
    static Factory& getInstance();
    
    void Register(string className, ObjectConstructor objc);
    
    Base* getObject(string className);

private:
    map<string, ObjectConstructor> objectMap;
};

// impl
Factory& Factory::getInstance()
{
    static Factory factory;
    return factory;
}

void Factory::Register(string className, ObjectConstructor m_objc)
{
    if (m_objc)
    {
        objectMap.insert(map<string, ObjectConstructor>::value_type(className, m_objc));
    }
}

Base* Factory::getObject(string className)
{
    map<string, ObjectConstructor>::const_iterator iter = objectMap.find(className);
    if (iter != objectMap.end())
    {
        return iter->second();
    }
}

// 实现反射的类 
// - 构造时将自身的(实际上就是子类的) className 和 Reflector写入 map 中
// - 回调函数实现返回子类的实例 
class Reflector
{
public:
    Reflector(string name, ObjectConstructor objc)
    {
        cout << "Reflector()" << endl;
        Factory::getInstance().Register(name, objc);
    }
    virtual ~Reflector(){ cout << "~Reflector()" << endl; }

};


#define REGISTER(className) \
    Base* CreateObject##className() \
    { \
        return new className; \
    } \
    Reflector reflector##className(#className, CreateObject##className); \


#endif



reflect_2.cpp

#include "reflect_2.h"

#include <iostream>

using namespace std;

// 支持反射的子类
class Derive : public Base
{
public:
    Derive(){ cout << "Derive()" << endl; }
    virtual ~Derive(){ cout << "~Derive()" << endl; }
    
    void print()
    {
        cout << "Derive print()" << endl;
    }
};
REGISTER(Derive);


class Derive2 : public Base
{
public:
    void print()
    {
        cout << "Derive2 print()" << endl;
    }
};
REGISTER(Derive2);

int main()
{   
    Base* p = Factory::getInstance().getObject("Derive");
    if (p)
    {
        p->print();
    }
    delete p;
    
    Base* p2 = Factory::getInstance().getObject("Derive2");
    if (p2)
    {
        p2->print();
    }
    delete p2;
    
    return 0;
}
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