C++ 实现反射机制
2017-02-20 15:35
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1. 什么是反射
学过 Java 或 C# 的同学应该都知道“反射”机制,很多有名的框架都用到了反射这种特性。这是一种很牛逼的特性,简单的理解就是只根据类的名字就可以获取到该类的实例。有人会说,这不是多此一举吗?直接 new 一个出来不就行了吗?像下面这样:class Person { public: virtual void show() = 0; } class Allen : public Person { virtual void show() { std::cout << "Hello, I'm Allen!" << std::endl; } } Person *p = new Allen(); p->show();
可是有时候,你定义好接口 Person 后,你并不知道谁将会实现该接口,甚至不知道什么时候会实现它。所以此时你无法通过 new 操作符来实例化对象。比如未来的某个时候有人编写了一个类叫 Luffy,但是此时你不可能实例化 Luffy 这个类,所以你只能编写下面这种代码:
std::string className = /*从配置文件中读取*/ Person *p = getNewInstance<Person>(className);
你的程序可以从配置文件中读取到
"Luffy"这个字符串保存到变量
className中。接下来使用函数
getNewInstance就可以获取到 Luffy 实例化的对象。
2. C++ 实现反射
很遗憾的是 C++ 并没有直接从语言上提供这种特性给我们用,不过无所不能的 C++ 可以通过一些 trick 来实现反射这种机制。2.1 引例
直观上,我们可以把 getNewInstance 的实现交给未来要使用我们的框架的人:template<typename T> T* getNewInstance(const std::string& className) { if (className == "Allen") { return new Allen(); } else if (className == "Luffy") { return new Luffy(); } }
如此一来,一旦有新的类实现,我们就必须得修改这个函数,这很容易出错,维护性很差。
2.2 对象工厂
对象工厂是一种可以间接实例化对象的类。比如:class ObjectFactory{ virtual ReflectObject* newInstance() = 0; } class ObjectFactory_Allen : public ObjectFactory{ ReflectObject* newInstance(){ // 这里注意一点就是,所有能够被反射的类都继承自 ReflectObject 这个类。 return new Allen(); }; }
所以,如果有了对象工厂的实例,我们就可以不断的产生对象了。如下:
ObjectFactory *of = new ObjectFactory_Allen(); // 有了对象工厂的实例后,就可以产生 Allen 对象的实例了 ReflectObject *allen= of->newInstance(); // 接下来可以使用类型转换,把 allen 对象转换成 Person Person *p = dynamic_cast<Person*>(allen);
2.3 反射器
反射器实际上也是一个类,它管理了类名到对象工厂实例之间的映射关系。反射器对象在程序中是一个全局唯一的对象。这种映射关系看起来就像一张表:("Allen", Allen 的对象工厂的实例对象); ("Luffy", Luffy 的对象工厂的实例对象); ("Zoro", Zoro 的对象工厂的实例对象); ……
只要未来你想要编写一个新的类,比如 Allen 类,那么你就必须要同时编写 Allen 的工厂类 ObjectFactory_Allen,同时,你还得实例化一个这个工厂类的对象 objectFactory_Allen = new ObjectFactory_Allen(),并将
("Allen", objectFactory_Allen)这种映射关系保存到反射器中。
反射器的定义如下:
class Reflector { public: Reflector(); ~Reflector(); // 如果你要反射你的类,就必须将你的类名,以及工厂实例对象注册到反射器中。 void registerFactory(const std::string& className, ObjectFactory *of); // 反射器可以根据对象工厂实例来生产实例对象。请参考 2.2 节 ReflectObject* getNewInstance(const std::string& className); private: std::map<std::string, ObjectFactory*> objectFactories; };
2.4 编写要被反射类的大致思路
有了上面的基础好,要想让你的类被反射,大致有以下几个步骤:让你的类继承某个接口(该接口继承自 ReflectObject 类)
编写一个对应的工厂类,并实例化一个工厂类对象
调用反射器的 registerFactory 接口,将你的类名和工厂类对象保存到反射器中
特别的,上述第 2 和 3 步很明显是属于成年不变的步骤,它可以使用宏函数来实现。在你完成步骤 1 后,就可以使用宏函数一次完成。在这里,将步骤2 和 3 统一称为“注册反射类”。
2.5 注册反射类
注册反射类实际上就是 2.4 中的第 2 和 3 步,其代码如下:步骤 1:定义 Allen 类(略)
步骤 2:定义 Allen 的工厂类
class ObjectFactory_Allen : public ObjectFactory{ ReflectObject* newInstance(){ return new Allen(); }; }
步骤 3:创建 Allen 工厂类实例对象并注册到反射器中
// 函数 reflector 可以用来获取反射器对象。 reflector().registerFactory("Allen", new ObjectFactory_Allen());
为了能让上面的代码复用,使用宏函数来进行改写:
/***********需要被反射的类,需要在其对应的 cpp 文件中进行反射声明***********/ #define REFLECT(name)\ class ObjectFactory_##name : public ObjectFactory{\ public:\ ReflectObject* newInstance() {\ return new name(); \ }\ }; \ class Register_##name{\ public:\ Register_##name(){\ reflector().registerFactory(#name, new ObjectFactory_##name()); \ }\ };\ Register_##name register_##name;
这样,以后步骤 2 和 步骤 3 就可以简写成:
REFLECT(Allen);
看起来是不是很方便?
上面的宏函数并没有直接调用反射器的注册函数,而是先定义了一个注册类对象,在注册类对象的构造函数中完成了调用,然后又定义了一个该类的全局对象,以达到自动调用构造函数的目的。想一想,为什么不直接调用反射器的注册函数?
3. 完整示例
3.1 客户端部分
main 函数#include "Person.h" #include "Reflector.h" int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { Person *allen = getNewInstance<Person>("Allen"); Person *luffy = getNewInstance<Person>("Luffy"); allen->show(); luffy->show(); delete allen; delete luffy; return 0; }
用户编写的 Allen 类和 Luffy 类
#include "Person.h" class Allen : public Person { public: Allen() virtual ~Allen(); virtual void show(); }; class Luffy : public Person { public: Luffy(); virtual ~Luffy(); virtual void show(); };
//两个类的实现,在 cpp 文件中 REFLECT(Allen);// 注册反射类,只能写在 cpp 文件中。 Allen::Allen() { std::cout << "Allen()" << std::endl; } Allen::~Allen() { std::cout << "~Allen()" << std::endl; } void Allen::show() { std::cout << "Hello, I'm Allen" << std::endl; } REFLECT(Luffy); // 注册反射类,只能写在 cpp 文件中。 Luffy::Luffy() { std::cout << "Luffy()" << std::endl; } Luffy::~Luffy() { std::cout << "~Luffy()" << std::endl; } void Luffy::show() { std::cout << "Hello, I'm Luffy" << std::endl; }
3.2 框架部分
Person 接口定义与实现// Person.h #include "Reflector.h" // 让 Person 继承反射基类 class Person : public ReflectObject { public: Person(); virtual ~Person(); virtual void show(); }; // Person.cpp Person::Person() { std::cout << "Person()" << std::endl; } Person::~Person() { std::cout << "~Person()" << std::endl; } void Person::show() { std::cout << "Hello, I'm person" << std::endl; }
反射器部分
// Reflect.h #pragma once #include <string> #include <map> #include <iostream> /********************所有需要实现反射的类需要继承它************************/ class ReflectObject { public: virtual ~ReflectObject(){} }; /************************************************************************/ /******************对象工厂抽象类,用来生成对象实例************************/ class ObjectFactory { public: ObjectFactory(){ std::cout << "ObjectFactory()" << std::endl; } virtual ~ObjectFactory(){ std::cout << "~ObjectFactory()" << std::endl; } virtual ReflectObject* newInstance() = 0; }; /************************************************************************/ /***********反射器,用来管理(对象名,对象工厂)的映射关系******************/ class Reflector { public: Reflector(); ~Reflector(); void registerFactory(const std::string& className, ObjectFactory *of); ReflectObject* getNewInstance(const std::string& className); private: std::map<std::string, ObjectFactory*> objectFactories; }; /************************************************************************/ /**********************获取反射器实例,全局唯一****************************/ Reflector& reflector(); /************************************************************************/ /***********需要被反射的类,需要在其对应的 cpp 文件中进行反射声明***********/ #define REFLECT(name)\ class ObjectFactory_##name : public ObjectFactory{\ public:\ ObjectFactory_##name(){ std::cout << "ObjectFactory_" << #name << "()" << std::endl; }\ virtual ~ObjectFactory_##name(){ std::cout << "~ObjectFactory_" << #name << "()" << std::endl; }\ ReflectObject* newInstance() {\ return new name(); \ }\ }; \ class Register_##name{\ public:\ Register_##name(){\ reflector().registerFactory(#name, new ObjectFactory_##name()); \ }\ };\ Register_##name register_##name; /************************************************************************/ /***********************根据类名获取对象实例******************************/ template<typename T> T* getNewInstance(const std::string& className) { return dynamic_cast<T*>(reflector().getNewInstance(className)); } /************************************************************************/
// Reflector.cpp #include "Reflector.h" Reflector::Reflector() { } Reflector::~Reflector() { std::map<std::string, ObjectFactory*>::iterator it = objectFactories.begin(); for (; it != objectFactories.end();++it) { delete it->second; } objectFactories.clear(); } void Reflector::registerFactory(const std::string& className, ObjectFactory *of) { std::map<std::string, ObjectFactory*>::iterator it = objectFactories.find(className); if (it != objectFactories.end()) { std::cout << "该类已经存在……" << std::endl; } else { objectFactories[className] = of; } } ReflectObject* Reflector::getNewInstance(const std::string& className) { std::map<std::string, ObjectFactory*>::iterator it = objectFactories.find(className); if (it != objectFactories.end()) { ObjectFactory *of = it->second; return of->newInstance(); } return NULL; } // 用来获取反射器对象,注意这是全局唯一的。 Reflector& reflector() { static Reflector reflector; return reflector; }
3.3 运行结果
4. 总结
反射机制的实现,主要在于工厂模式的灵活使用。另外,还需要掌握一些 C++ 代码技巧,比如如何在 main 函数之前进行初始化操作,反射器的初始化以及生产工厂类对象很好的体现了全局对象的应用。理解多态,接口,继承
掌握对象工厂的使用方法
掌握工厂模式
理解反射器的工作原理
掌握宏函数的编写
代码下载:http://git.oschina.net/ivan_allen/Reflection
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