C++11实现一个自动注册的工厂
2016-02-19 11:54
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实现动机
工厂方法是最简单地创建派生类对象的方法,也是很常用的,工厂方法内部使用switch-case根据不同的key去创建不同的派生类对象,下面是一个伪代码。Message* create(int type) { switch (type) { case MSG_PGSTATS: m = new MPGStats; break; case MSG_PGSTATSACK: m = new MPGStatsAck; break; case CEPH_MSG_STATFS: m = new MStatfs; break; case CEPH_MSG_STATFS_REPLY: m = new MStatfsReply; break; case MSG_GETPOOLSTATS: m = new MGetPoolStats; break; default: break; } }
随着时间的流逝,消息种类越来越多,这个switch-case会越来越长,我在一个开源项目中看到过一百多个case语句,显然这种简单工厂已经不堪负荷,这样的代码对于维护者来说也是一个噩梦。要消除这些长长的switch-case语句是一个需要解决的问题,而自动注册的对象工厂则是一个比较优雅的解决方案。
自动注册的对象工厂遵循了开放-封闭原则,新增对象时无需修改原有代码,仅仅需要扩展即可,彻底地消除了switch-case语句。
实现方法
自动注册的对象工厂的实现思路如下:提供一个单例工厂对象。
工厂注册对象(保存创建对象的key和构造器)。
利用辅助类,在辅助类对象的构造过程中实现目标对象地注册。
利用一个宏来生成辅助对象。
在派生类文件中调用这个宏实现自动注册。
其中,需要注意的是,对象工厂并不直接保存对象,而是对象的构造器,因为对象工厂不是对象池,是对象的生产者,允许不断地创建实例,另外,这样做还实现了延迟创建。另外一个要注意的地方是借助宏来实现自动注册,本质上是通过宏来定义了很多全局的静态变量,而这些静态变量仅仅是为了实现自动注册,并没有实际的意义。
下面来看看如何用C++11来实现这个自动注册的对象工厂。
一个单例的对象工厂代码
struct factory { static factory& get() { static factory instance; return instance; } private: factory() {}; factory(const factory&) = delete; factory(factory&&) = delete; static std::map<std::string, std::function<Message*()>> map_; };
在C++11中单例的实现非常简单,返回一个一个静态局部变量的引用即可,而且这个方法还是线程安全的,因为C++11中静态局部变量的初始化是线程安全的。工厂内部有一个map,map的值类型为一个function,是对象的构造器。
对象工厂的辅助类的代码
struct factory { template<typename T> struct register_t { register_t(const std::string& key) { factory::get().map_.emplace(key, []{ return new T; }); } }; private: inline static factory& get() { static factory instance; return instance; } static std::map<std::string, FunPtr> map_; };
对象工厂的辅助类register_t是工厂类的一个内部模版类,非常简单,只有一个构造函数,这个构造函数中调用了factory的私有变量map_,并往map_中插入了key和泛型对象的构造器。这里用到了C++11的一个新特性:内部类可以通过外部类的实例访问外部类的私有成员,所以register_t可以直接访问factory的私有变量map_。
自动注册的代码
#define REGISTER_MESSAGE_VNAME(T) reg_msg_##T##_ #define REGISTER_MESSAGE(T, key, ...) static factory::register_t<T> REGISTER_MESSAGE_VNAME(T)(key, __VA_ARGS__);
在派生类中调用宏注册自己:
class Message1 : public Message { //…… }; REGISTER_MESSAGE(Message1, "message1");
自动注册的关键是通过一个宏来生成静态全局的register_t的实例,因为register_t的实例是用来向工厂注册目标对象的构造器。所以仅仅需要在派生类中调用这个宏就可以实现自动至注册了,而无需修改原有代码。
我们还可以添加智能指针接口,无需让用户管理原始指针,甚至让工厂能创建带任意参数的对象。
Factory最终的实现
#include <map> #include <string> #include <functional> #include <memory> #include "Message.hpp" struct factory { template<typename T> struct register_t { register_t(const std::string& key) { factory::get().map_.emplace(key, [] { return new T(); }); } template<typename... Args> register_t(const std::string& key, Args... args) { factory::get().map_.emplace(key, [&] { return new T(args...); }); } }; static Message* produce(const std::string& key) { if (map_.find(key) == map_.end()) throw std::invalid_argument("the message key is not exist!"); return map_[key](); } static std::unique_ptr<Message> produce_unique(const std::string& key) { return std::unique_ptr<Message>(produce(key)); } static std::shared_ptr<Message> produce_shared(const std::string& key) { return std::shared_ptr<Message>(produce(key)); } private: factory() {}; factory(const factory&) = delete; factory(factory&&) = delete; static factory& get() { static factory instance; return instance; } static std::map<std::string, std::function<Message*()>> map_; }; std::map<std::string, std::function<Message*()>> factory::map_; #define REGISTER_MESSAGE_VNAME(T) reg_msg_##T##_ #define REGISTER_MESSAGE(T, key, ...) static factory::register_t<T> REGISTER_MESSAGE_VNAME(T)(key, ##__VA_ARGS__);
示例
class Message { public: virtual ~Message() {} virtual void foo() { } }; #include "MessageFactory.hpp" #include "Message.hpp" class Message1 : public Message { public: Message1() { std::cout << "message1" << std::endl; } Message1(int a) { std::cout << "message1" << std::endl; } ~Message1() { } void foo() override { std::cout << "message1" << std::endl; } }; //REGISTER_MESSAGE(Message1, "message1", 2); REGISTER_MESSAGE(Message1, "message1"); #include "Message1.hpp" int main() { Message* p = factory::produce("message1"); p->foo(); //Message1 auto p2 = factory::produce_unique("message1"); p2->foo(); }
总结
使用C++11,仅仅需要几十行代码就可以实现一个自动注册的对象工厂,消除了长长的swithc-case语句,还遵循了开闭原则,简洁而优雅。完整的代码:https://github.com/qicosmos/cosmos/tree/master/self-register-factory
如果都是hpp的消息是没问题的,如果是h和cpp分开的那种,多个cpp包含含静态变量的头文件会引起的链接问题,这就把静态变量干掉,可以参考这个实现: https://github.com/qicosmos/cosmos/blob/master/self-register-factory/MessageFatory1.hpp
一点梦想:尽自己一份力,让c++的世界变得更美好!
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