c++實(shí)現(xiàn)反射類

.NET下的很多技術(shù)都是基于反射機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，反射讓.NET平臺(tái)下的語(yǔ)言變得得心應(yīng)手。最簡(jiǎn)單的，比如枚舉類型，我們我可以很容易的獲得一個(gè)枚舉變量的數(shù)值以及其名稱字符串。

可是，在C++中，枚舉變量本質(zhì)上和一個(gè)整形變量沒有區(qū)別，我們很難獲取一個(gè)枚舉變量的名稱字符串。其實(shí)在C++中，我們可以通過(guò)宏來(lái)實(shí)現(xiàn)類似反射的機(jī)制。

在很多程序設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)遇到這樣的需求，即可以通過(guò)類的名字得到對(duì)應(yīng)類型的對(duì)象，尤其是一種數(shù)據(jù)需要很多策略處理的時(shí)候。比如對(duì)于網(wǎng)頁(yè)類型的識(shí)別，一篇網(wǎng)頁(yè)可能是視頻類型、新聞?lì)愋汀�圖片類型、網(wǎng)站首頁(yè)、百科等很多類型中的一種，網(wǎng)頁(yè)類型對(duì)于搜索引擎來(lái)說(shuō)是非常重要的，計(jì)算rank的時(shí)候網(wǎng)頁(yè)類型往往是一個(gè)非常重要的因子。具體實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，網(wǎng)頁(yè)類型識(shí)別的策略可以封裝在類中，這樣一個(gè)策略就可以設(shè)計(jì)成一個(gè)類。但是后期隨著對(duì)網(wǎng)頁(yè)理解的越來(lái)越深入，就會(huì)出現(xiàn)以下兩種情景：

需要添加新的網(wǎng)頁(yè)類型，因此需要添加對(duì)應(yīng)的類型識(shí)別類；

有些類型已經(jīng)不再需要或者是進(jìn)行了重新劃分，那么需要?jiǎng)h除掉這些類型或者是讓這些類型識(shí)別模塊不再生效。

這種應(yīng)用場(chǎng)景下，添加或移除網(wǎng)頁(yè)類型識(shí)別模塊時(shí)，最好能夠非常方便，并且不會(huì)影響到已有的程序�！　∫粋�(gè)比較好的方案是，定義一個(gè)類型識(shí)別的基類PageTypeDetector，每個(gè)類型識(shí)別策略都繼承自這個(gè)基類。比如需要一個(gè)新聞頁(yè)識(shí)別的新策略，那么定義類NewsPageTypeDetector，該類繼承PageTypeDetector。在添加NewsPageTypeDetector到網(wǎng)頁(yè)類型識(shí)別的主程序時(shí)，在配置文件中進(jìn)行配置，添加NewsPageTypeDetector類，讓該類生效，而主程序和其他類型識(shí)別策略的程序都不需要進(jìn)行改動(dòng)。另外，如果不再需要圖片網(wǎng)頁(yè)類型識(shí)別，那么就把圖片類型識(shí)別對(duì)應(yīng)的類名直接從配置發(fā)文件中刪除即可。　　為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，我們需要從類名到類型的映射，可以稱為反射。因?yàn)榕渲梦募�中的信息在程序�?nèi)部得到的都是純字符串，程序需要根據(jù)字符串生成對(duì)應(yīng)的識(shí)別類。當(dāng)然，這個(gè)在本身已包含反射機(jī)制的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中很容易實(shí)現(xiàn)，比如JAVA，但是由于C++中語(yǔ)言本身不支持這種機(jī)制，因此，需要用其他的方法來(lái)模擬這種機(jī)制�！　∈紫�，我們從最簡(jiǎn)單的方式開始，定義一個(gè)工廠方法，該方法負(fù)責(zé)根據(jù)類名生成相應(yīng)類的對(duì)象，函數(shù)定義可以如下：

1    PageTypeDetector* DetectorFactoryCreate(const string& class_name);    

　　生成新聞網(wǎng)頁(yè)類型識(shí)別的類可以如下調(diào)用：

1    PageTypeDetector* news_page_detector = DetectorFactoryCreate("NewsPageTypeDetector");    

　　DetectorFactoryCreate工廠方法中的實(shí)現(xiàn)邏輯大致是這樣：

12345    if (class_name == "NewsDocTypeDetector") {  　　return new NewsDocTypeDetector;} else if (class_name == "...") { 　　 return new ...;}    

　　使用如上工廠方法創(chuàng)建類的方式具有非常明顯的缺陷，每添加或刪除一個(gè)新類，都需要修改工廠方法內(nèi)的程序（添加if判斷或者刪除if判斷，并且需要添加新類的頭文件或者類聲明），當(dāng)然了，因?yàn)槌绦蛴辛诵薷乃�以就需要重新編譯（如果很多其他模塊依賴該程序的話，重新編譯也是一筆不小的開銷）。顯然，這種方式雖然簡(jiǎn)單，但是極不易于維護(hù)。

　　這里，提出一個(gè)使用非常方便并且易于維護(hù)的解決方案，那就是使用宏。雖然c++創(chuàng)始人Bjarne Stroustrup極力反對(duì)使用宏，但是在一些特定的場(chǎng)景中合理的使用宏會(huì)帶來(lái)意想不到的效果�！　∈紫�，從使用宏最簡(jiǎn)單的一個(gè)實(shí)現(xiàn)開始，目標(biāo)是可以通過(guò)類的名字得到相應(yīng)的對(duì)象，因此應(yīng)該有個(gè)方法類似于如下：

1    Any GetInstanceByName(const string& class_name)；    

　　返回值為Any，因?yàn)椴恢�道返回值究竟是什么類型，所以假定可以返回任何類型，這里的Any使用的是Boost中的Any。該方法中需要new一個(gè)類型為class_name的對(duì)象返回，那么應(yīng)該如何new該對(duì)象呢?借用上面使用工廠方法的經(jīng)驗(yàn)，可以進(jìn)一步使用工廠類，對(duì)于每個(gè)類，都有一個(gè)相應(yīng)的工廠類ObjectFactoryClassName，由該工廠類負(fù)責(zé)生成相應(yīng)的對(duì)象（為什么要使用工廠類？后面再作簡(jiǎn)單介紹）。

有了工廠類，也需要將類名與工廠類對(duì)應(yīng)起來(lái)，對(duì)應(yīng)方式可以使用map<string, ObjectFactory*> object_factory_map，object_factory_map負(fù)責(zé)從類名到相應(yīng)工廠類的映射，這樣，就可以通過(guò)類的名字找到對(duì)應(yīng)ObjectFactory，然后使用ObjectFactory生成相應(yīng)的對(duì)象。但是如何將相應(yīng)的工廠類添加到object_factory_map中去呢，我們需要在定義新類的時(shí)候就將對(duì)應(yīng)的工廠類添加到object_factory_map中，這里需要一個(gè)函數(shù)負(fù)責(zé)添加工廠類到object_factory_map中去（為什么需要一個(gè)函數(shù)負(fù)責(zé)？最后作簡(jiǎn)單說(shuō)明）。

負(fù)責(zé)將新類對(duì)應(yīng)的工廠類添加到全局變量object_factory_map的函數(shù)必須在使用object_factory_map之前執(zhí)行。gcc中有一個(gè)關(guān)鍵字__attribute__((constructor)) ，使用該關(guān)鍵字聲明的函數(shù)就可以在main函數(shù)之前執(zhí)行。到現(xiàn)在，程序的結(jié)構(gòu)類似這樣：

12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940    // 負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)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();  // 調(diào)用文件test.ccclass TestClass {public:  void Out() {    cout << "i am TestClass" << endl;  }};REFLECTOR(TestClass); // main函數(shù)int main() {  Any instance = GetInstanceByName("TestClass");  TestClass* test_class = instance.any_cast<TestClass>();  return 0;  }    

到這里還有一個(gè)問題，全局變量ObjectFactoryMap是不能放在頭文件中的，因?yàn)槿绻�多個(gè)類包含該頭文件時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)重復(fù)定義的錯(cuò)誤，是編譯不過(guò)的。因此，將該變量放在其源碼reflector.cc文件中：

123456789101112    // reflector.h，包含聲明：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;}    

　　上述程序編譯能夠通過(guò)，但是運(yùn)行時(shí)出錯(cuò)，后來(lái)定位到是在使用全局變量object_factory_map時(shí)出錯(cuò)，經(jīng)過(guò)調(diào)試了很久，在網(wǎng)上查相應(yīng)的資料也沒找到。經(jīng)過(guò)不停的嘗試，才發(fā)現(xiàn)原來(lái)是全局變量object_factory_map沒有初始化，在仔細(xì)的測(cè)試了以后發(fā)現(xiàn)，是__attribute__((constructor))與全局變量類構(gòu)造函數(shù)的執(zhí)行順序的問題，一般全局變量是在__attribute__(constructor)前完成初始化的，但是如果__attribute__是在main函數(shù)所在的文件，而全局變量是在其他文件定義的，那么__attribute__(constructor)就會(huì)在全局變量類構(gòu)造函數(shù)前面執(zhí)行，這樣，上面的程序在全局變量類還沒有完成初始化，也就是還沒有執(zhí)行構(gòu)造函數(shù)，就在__attribute__(constructor)聲明的函數(shù)中進(jìn)行了使用，因此會(huì)出現(xiàn)問題。不過(guò)，在執(zhí)行__attribute__時(shí)已經(jīng)看到了全局變量的定義，只是沒有執(zhí)行全局變量的構(gòu)造函數(shù)（這里，如果全局變量不是類，而是普通類型，是沒有問題的）。所以，程序的結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)一步修改。

    現(xiàn)在解決如何定義和使用全局變量object_factory_map的問題。既然我們不能直接使用該變量，那么可以通過(guò)顯示調(diào)用函數(shù)來(lái)返回該變量，如果直接在函數(shù)中new一個(gè)對(duì)象返回的話，那么每次調(diào)用都會(huì)new一個(gè)新的對(duì)象，而我們?nèi)�局只需要一個(gè)該對(duì)象，這時(shí)該是static出現(xiàn)的時(shí)候了。我們可以這樣定義：

12345    // reflector.ccmap<string, ObjectFactory*>& object_factory_map() {    static map<string, ObjectFactory*>* factory_map = new map<string, ObjectFactory*>;    return *factory_map;}    

這樣定義還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，程序只是在真正需要調(diào)用g_objectfactory_map時(shí)才會(huì)生成相應(yīng)的對(duì)象，而如果程序沒有調(diào)用，也不會(huì)生成對(duì)應(yīng)的對(duì)象。當(dāng)然，在這里new一個(gè)對(duì)象的代價(jià)不大，但是如果new的對(duì)象非常耗時(shí)的話，這種使用函數(shù)中static變量代替全局變量方法的優(yōu)勢(shì)就非常明顯了。到現(xiàn)在反射程序變成如下這樣：

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142    // 負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)反射的文件reflector.h: // 工廠類的基類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;}    

　　到現(xiàn)在接近尾聲了，不過(guò)在很多時(shí)候，我們都是在已有基類的基礎(chǔ)上添加新的類，就好比上述網(wǎng)頁(yè)識(shí)別的程序，各個(gè)識(shí)別策略類都繼承共同的基類，這樣，我們可以進(jìn)一步修改反射程序，將GetInstanceByName放在另外一個(gè)類中，返回的是基類的指針，因此在定義基類時(shí)也需要注冊(cè)一個(gè)宏，如下所示，同時(shí)需要修改objector_factory_map的結(jié)構(gòu)為map<string, map<string, ObjectFactory> >，第一個(gè)key是基類的名字，第二map中的key是生成類的名字，基類宏的定義類似如下：

12345678910111213    #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*>()); \} \};    

　　這里就不再詳細(xì)講修改后的代碼了，有興趣的朋友可以自己實(shí)現(xiàn)。

注：

　　至于上面為什么需要使用工廠類，而不是直接new一個(gè)對(duì)應(yīng)的對(duì)象返回，原因是直接new是不可以的。例如如下定義：

1234    #define REFLECT(name) \Any GetInstanceByName(const string& class_name) {    return Any(new name);}    

　　如果是多個(gè)類使用的話，那么就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)函數(shù)的定義。如果也借助工廠類的實(shí)現(xiàn)，如下實(shí)現(xiàn)：

1234    #define REFLECT(name) \Any GetInstanceByName##name(const string& class_name) {    return Any(new name);}    

 　　這樣是不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)定義了，但是這樣在生產(chǎn)新的對(duì)象時(shí)需要指定特定的函數(shù)，這不又回到原點(diǎn)了嗎？因此工廠類充當(dāng)?shù)氖莻�(gè)中介的角色，我們可以保存工廠類，然后根據(jù)名稱尋找特定的工廠類來(lái)生成對(duì)應(yīng)的對(duì)象。

注：

 為什么需要使用函數(shù)添加工廠類？因?yàn)樵诔绦蛑�，全局空間中只能是變量的聲明和定義，而不能是語(yǔ)句，例如：

可以這樣寫：int a = 10;int main() {}但是不能這樣寫：int a;a = 10;int main() {} 

需要注意的知識(shí)點(diǎn)：

工廠模式；

全局變量的定義需要注意，不能定義在頭文件中（當(dāng)如，如果經(jīng)過(guò)特殊處理，例如使用#ifndef保護(hù)另說(shuō)）；

Any類型的實(shí)現(xiàn)；（準(zhǔn)備寫另外一篇文章來(lái)探討其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)）

宏的定義以及使用；（基本覆蓋了宏的所有知識(shí)）

全局變量構(gòu)造函數(shù)與__attribute__((constructor))的執(zhí)行順序；（調(diào)試了很久）

__attribute__((constructor))的問題；（編譯器有關(guān)，放在函數(shù)定義前或定義后）

全局空間只能是聲明或者定義，不能是語(yǔ)句；

static在函數(shù)中的使用；

全局變量類的定義與使用。