c++实现反射类

　　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、新闻类型、图片类型、网站首页、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：

1. 需要添加新的网页类型，因此需要添加对应的类型识别类；
2. 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。

　　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。比如需要一个新闻页识别的新策略，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，我们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++中语言本身不支持这种机制，因此，需要用其他的方法来模拟这种机制。

　　首先，我们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);

　　生成新闻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。

　　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：

　　　Any 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？后面再作简单介绍）。

　　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，我们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之前执行。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函数之前执行。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执行顺序的问题，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执行，这样，上面的程序在全局变量类还没有完成初始化，也就是还没有执行构造函数，就在__attribute__(constructor)声明的函数中进行了使用，因此会出现问题。不过，在执行__attribute__时已经看到了全局变量的定义，只是没有执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。

    现在解决如何定义和使用全局变量object_factory_map的问题。既然我们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，而我们全局只需要一个该对象，这时该是static出现的时候了。我们可以这样定义：

// 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，我们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，我们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，我们可以保存工厂类，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() {}

 

需要注意的知识点：

1. 工厂模式；
2. 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）；
3. Any类型的实现；（准备写另外一篇文章来探讨其实现细节）
4. 宏的定义以及使用；（基本覆盖了宏的所有知识）
5. 全局变量构造函数与__attribute__((constructor))的执行顺序；（调试了很久）
6. __attribute__((constructor))的问题；（编译器有关，放在函数定义前或定义后）
7. 全局空间只能是声明或者定义，不能是语句；
8. static在函数中的使用；
9. 全局变量类的定义与使用。