用C++实现一个自动注册的工厂

原文地址：http://geek.csdn.net/news/detail/48963

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：
1. 提供一个单例工厂对象。
2. 工厂注册对象（保存创建对象的key和构造器）。
3. 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。
4. 利用一个宏来生成辅助对象。
5. 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，对象工厂并不直接接存对象，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 "Message.hpp"
#include "MsgFactory.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();   //Message1delete p;
...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

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