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c++实现反射类-山东App开发企业

文章编辑:2138com太阳集团 时间:2016年12月20日

在很多程序设计中,经常会遇到这样的需求,即可以通过类的名字得到对应类型的对象,尤其是一种数据需要很多策略处理的时候。比如对于网页类型的识别,一篇网页可能是视频类型、资讯类型、图片类型、2138com太阳集团、百科等很多类型中的一种,网页类型对于搜索引擎来说是非常重要的,计算rank的时候网页类型往往是一个非常重要的因子。具体实现的时候,网页类型识别的策略可以封装在类中,这样一个策略就可以设计成一个类。但是后期随着对网页理解的越来越深入,就会出现以下两种情景:

 

需要添加新的网页类型,因此需要添加对应的类型识别类;
 

有些类型已经不再需要或者是进行了重新划分,那么需要删除掉这些类型或者是让这些类型识别模块不再生效。
 

  山东App开发企业这种应用场景下,添加或移除网页类型识别模块时,最好能够非常方便,并且不会影响到已有的程序。

 

  一个比较好的方案是,定义一个类型识别的基类PageTypeDetector,每个类型识别策略都继承自这个基类。比如需要一个资讯页识别的新策略,那么定义类NewsPageTypeDetector,该类继承PageTypeDetector。在添加NewsPageTypeDetector到网页类型识别的主程序时,在配置文件中进行配置,添加NewsPageTypeDetector类,让该类生效,而主程序和其他类型识别策略的程序都不需要进行改动。另外,如果不再需要图片网页类型识别,那么就把图片类型识别对应的类名直接从配置发文件中删除即可。
 

  为了实现上述目标,大家需要从类名到类型的映射,可以称为反射。因为配置文件中的信息在程序内部得到的都是纯字符串,程序需要根据字符串生成对应的识别类。当然,这个在本身已包含反射机制的程序设计语言中很容易实现,比如JAVA,但是由于C++中语言本身不支撑这种机制,因此,需要用其他的方法来模拟这种机制。
 

  首先,大家从最简单的方式开始,定义一个工厂方法,该方法负责根据类名生成相应类的对象,函数定义可以如下 
 

PageTypeDetector* DetectorFactoryCreate(const string& class_name);
 

  生成资讯网页类型识别的类可以如下调用:

 

PageTypeDetector* news_page_detector = DetectorFactoryCreate("NewsPageTypeDetector");

  DetectorFactoryCreate工厂方法中的实现逻辑大致是这样:

 

if (class_name == "NewsDocTypeDetector") {

    return new NewsDocTypeDetector;

} else if (class_name == "...") {

    return new ...;

}

  使用如上工厂方法创建类的方式具有非常明显的缺陷,每添加或删除一个新类,都需要修改工厂方法内的程序(添加if判断或者删除if判断,并且需要添加新类的头文件或者类声明),当然了,因为程序有了修改所以就需要重新编译(如果很多其他模块依赖该程序的话,重新编译也是一笔不小的开销)。显然,这种方式虽然简单,但是极不易于维护。

 

  这里,提出一个使用非常方便并且易于维护的解决方案,那就是使用宏。虽然c++创始人Bjarne Stroustrup极力反对使用宏,但是在一些特定的场景中合理的使用宏会带来意想不到的效果。

  山东App开发企业首先,从使用宏最简单的一个实现开始,目标是可以通过类的名字得到相应的对象,因此应该有个方法类似于如下:

 

1Any GetInstanceByName(const string& class_name);
 

  返回值为Any,因为不知道返回值究竟是什么类型,所以假定可以返回任何类型,这里的Any使用的是Boost中的Any。该方法中需要new一个类型为class_name的对象返回,那么应该如何new该对象呢?借用上面使用工厂方法的经验,可以进一步使用工厂类,对于每个类,都有一个相应的工厂类ObjectFactoryClassName,由该工厂类负责生成相应的对象(为什么要使用工厂类?后面再作简单先容)。

 

  有了工厂类,也需要将类名与工厂类对应起来,对应方式可以使用map<string, ObjectFactory*> object_factory_map,object_factory_map负责从类名到相应工厂类的映射,这样,就可以通过类的名字找到对应ObjectFactory,然后使用ObjectFactory生成相应的对象。但是如何将相应的工厂类添加到object_factory_map中去呢,大家需要在定义新类的时候就将对应的工厂类添加到object_factory_map中,这里需要一个函数负责添加工厂类到object_factory_map中去(为什么需要一个函数负责?最后作简单说明)。

 

  负责将新类对应的工厂类添加到全局变量object_factory_map的函数必须在使用object_factory_map之前实行。gcc中有一个关键字__attribute__((constructor)) ,使用该关键字声明的函数就可以在main函数之前实行。到现在,程序的结构类似这样:

 

 

 

 

// 负责实现反射的文件reflector.h:

 

map<string, ObjectFactory*> object_factory_map;

Any GetInstanceByName(const string& name) {

    if (object_factory_map.find(name) != object_factory_map.end()) {

        return object_factory_map[name]->NewInstance();

    }

    return NULL;

}

 

#define REFLECTOR(name) \

class ObjectFactory##name { \ 

public: \

  Any NewInstance() { \

    return Any(new name); \

    } \

}; \

void register_factory_##name() { \

    if (object_factory_map.find(#name) == object_factory_map.end()) { \

      object_factory_map[#name] = new ObjectFactory##name(); \

    } \

} \

__attribute__(constructor)void register_factory##name();

 

 

// 调用文件test.cc

class TestClass {

public:

  void Out() {

    cout << "i am TestClass" << endl;

  }

};

REFLECTOR(TestClass);

 

// main函数

int main() {

  Any instance = GetInstanceByName("TestClass");

  TestClass* test_class = instance.any_cast<TestClass>();

  return 0;  

}

 

 

  到这里还有一个问题,全局变量ObjectFactoryMap是不能放在头文件中的,因为如果多个类包含该头文件时,就会出现重复定义的错误,是编译不过的。因此,将该变量放在其源码reflector.cc文件中:

 

 

// reflector.h,包含声明:

extern map<string, ObjectFactory*> object_factory_map;

Any GetInstanceByName(const string& name);

 

// reflector.cc:

map<string, ObjectFactory*> object_factory_map;

Any GetInstanceByName(const string& name) {

    if (object_factory_map.find(name) != object_factory_map.end()) {

        return object_factory_map[name]->NewInstance();

    }

    return NULL;

}

  上述程序编译能够通过,但是运行时出错,后来定位到是在使用全局变量object_factory_map时出错,经过调试了很久,在网上查相应的资料也没找到。经过不停的尝试,才发现原来是全局变量object_factory_map没有初始化,在仔细的测试了以后发现,是__attribute__((constructor))与全局变量类构造函数的实行顺序的问题,一般全局变量是在__attribute__(constructor)前完成初始化的,但是如果__attribute__是在main函数所在的文件,而全局变量是在其他文件定义的,那么__attribute__(constructor)就会在全局变量类构造函数前面实行,这样,上面的程序在全局变量类还没有完成初始化,也就是还没有实行构造函数,就在__attribute__(constructor)声明的函数中进行了使用,因此会出现问题。不过,在实行__attribute__时已经看到了全局变量的定义,只是没有实行全局变量的构造函数(这里,如果全局变量不是类,而是普通类型,是没有问题的)。所以,程序的结构还需要进一步修改。

 

    山东App开发企业现在解决如何定义和使用全局变量object_factory_map的问题。既然大家不能直接使用该变量,那么可以通过显示调用函数来返回该变量,如果直接在函数中new一个对象返回的话,那么每次调用都会new一个新的对象,而大家全局只需要一个该对象,这时该是static出现的时候了。大家可以这样定义:

 

// reflector.cc

map<string, ObjectFactory*>& object_factory_map() {

    static map<string, ObjectFactory*>* factory_map = new map<string, ObjectFactory*>;

    return *factory_map;

}

这样定义还有另外一个优点,程序只是在真正需要调用g_objectfactory_map时才会生成相应的对象,而如果程序没有调用,也不会生成对应的对象。当然,在这里new一个对象的代价不大,但是如果new的对象非常耗时的话,这种使用函数中static变量代替全局变量方法的优势就非常明显了。到现在反射程序变成如下这样:

 

 

// 负责实现反射的文件reflector.h:

 

// 工厂类的基类

class ObjectFactory {

 public:

  virtual Any NewInstance() {

    return Any(); 

  }

};

 

map<string, ObjectFactory*>& object_factory_map();

Any GetInstanceByName(const string& name);

 

#define REFLECTOR(name) \

class ObjectFactory##name : public ObjectFactory { \ 

 public: \

  Any NewInstance() { \

    return Any(new name); \

  } \

}; \

void register_factory_##name() { \

    if (object_factory_map().find(#name) == object_factory_map().end()) { \

      object_factory_map()[#name] = new ObjectFactory##name(); \

    } \

} \

__attribute__(constructor)void register_factory##name()

 

 

 

// reflector.cc

 

map<string, ObjectFactory*>& object_factory_map() {

    static map<string, ObjectFactory*>* factory_map = new map<string, ObjectFactory*>;

    return *factory_map;

}

 

Any GetInstanceByName(const string& name) {

    if (object_factory_map().find(name) != object_factory_map().end()) {

        return object_factory_map()[name]->NewInstance();

    }

    return NULL;

}

  到现在接近尾声了,不过在很多时候,大家都是在已有基类的基础上添加新的类,就好比上述网页识别的程序,各个识别策略类都继承共同的基类,这样,大家可以进一步修改反射程序,将GetInstanceByName放在另外一个类中,返回的是基类的指针,因此在定义基类时也需要注册一个宏,如下所示,同时需要修改objector_factory_map的结构为map<string, map<string, ObjectFactory> >,第一个key是基类的名字,第二map中的key是生成类的名字,基类宏的定义类似如下:

 

#define REFLECTOR_BASE(base_class) \

class base_class##Reflector { \

 public: \

  static base_class* GetInstanceByName(const string& name) { \

     map<string, ObjectFactory*>& map = object_factory_map()[#base_class]; \

     map<string, ObjectFactory*>::iterator iter = map.find(name); \

     if (iter == map.end()) { \

       return NULL; \

     } \

      Any object = iter->second->NewInstance(); \

      return *(object.any_cast<base_class*>()); \

} \

};

  这里就不再详细讲修改后的代码了,有兴趣的朋友可以自己实现。

 

 

 

注:

 

  至于上面为什么需要使用工厂类,而不是直接new一个对应的对象返回,原因是直接new是不可以的。例如如下定义 

#define REFLECT(name) \

Any GetInstanceByName(const string& class_name) {

    return Any(new name);

}

  如果是多个类使用的话,那么就会出现多个函数的定义。如果也借助工厂类的实现,如下实现:

 

 

#define REFLECT(name) \

Any GetInstanceByName##name(const string& class_name) {

    return Any(new name);

}

   这样是不会出现重复定义了,但是这样在生产新的对象时需要指定特定的函数,这不又回到原点了吗?因此工厂类充当的是个中介的角色,大家可以保存工厂类,然后根据名称寻找特定的工厂类来生成对应的对象。

 

注:

 

 为什么需要使用函数添加工厂类?因为在程序中,全局空间中只能是变量的声明和定义,而不能是语句,例如:

 

可以这样写:

int a = 10;

int main() {}

但是不能这样写:

int a;

a = 10;

int main() {}

 

需要注意的常识点:

 

工厂模式;

全局变量的定义需要注意,不能定义在头文件中(当如,如果经过特殊处理,例如使用#ifndef保护另说);

Any类型的实现;(准备写另外一篇文章来探讨其实现细节)

宏的定义以及使用;(基本覆盖了宏的所有常识)

全局变量构造函数与__attribute__((constructor))的实行顺序;(调试了很久)

__attribute__((constructor))的问题;(编译器有关,放在函数定义前或定义后)

全局空间只能是声明或者定义,不能是语句;

static在函数中的使用;

全局变量类的定义与使用。



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