C++通用动态抽象工厂的实现详解
背景
一开始，我是想到了下面这个场景：
struct A {
void Foo() {}
};
struct B {
void Bar() {
A().Foo();
}
};如上面代码，B的Bar中构造了A，然后调用了A的Foo函数。假如我想在别的场景中复用B的Bar，但是这时A的Foo就不符合需求了，需要定制，于是我们想到可以用多态，把A的Foo改成虚函数，然后写出A1：
struct A {
A() = default;
virtual ~A() = default;
virtual void Foo() {}
};
struct A1 : public A {
void Foo() override {}
};B不应该知道A1的存在，为了让B用上A1，同时也为以后可能会拓展的A2、A3做准备，我们写了个A的工厂函数GetA()来生成A。于是代码变成：
std::unique_ptr<A> GetA() {
if (Condition1()) {
return std::unique_ptr<A>(new A1());
} else {
return std::unique_ptr<A>(new A());
}
}
struct B {
void Bar() {
GetA()->Foo();
}
};如果B中还要构造别的C、D等类，难道我们要为每个类都写一个工厂函数吗？这成本也太高了，而且可能大部分类都只有一个，不用搞继承，写工厂函数就是无用功。那么，有没有一种通用的方式可以在写B代码的时候就对A、C、D等类的构造都留一手，使得以后可以由B外的代码控制实际构造的是A1等，而不需要修改B的代码？这就是我写动态抽象工厂的原始需求。
实现
思路很简单，就是为每个类都自动生成一个工厂函数就好了，然后在B中不直接构造A、C、D等对象，而是都调用对应类的工厂函数。然后这个自动生成的工厂默认就是构造原始的类的对象，比如A，也有接口可以改成生成子类，比如A1。对每个类生成一个工厂函数自然就想到用模板了。至于这个接口怎么实现，就有两大分支，分别是编译期和运行期。编译期一般就是用模板特化了。我觉得运行期会更有趣，用法会更多，就选了运行期。
运行期的意思就是要搞个变量来存下这个修改的工厂函数，自然就想到用std::function。当然免不了的是要把这个变量传给B。如果管理A的是一个变量，管理C、D的是另外两个变量，那就要传很多很多变量给B，这样也太繁琐了，所以应该一个变量存下所有类的工厂函数，然后把这个变量传遍所有需要使用工厂函数的对象或函数当中。所以这个变量的类型是一个确定的类型，不能带模板（或者说模板参数不能跟工厂对应的类相关，如A、C、D等）。那么模板就放到方法当中了。很自然地，这个类型的接口就应该是这样：
struct DynamicAbstractFactory {
template <typename T, typename... Args>
std::unique_ptr<T> New(Args&&...);
};这里插一段，为什么叫动态抽象工厂呢？按照我的理解，工厂模式就是实现一个返回T*的函数F，里面用ifelse来控制最终返回的是T还是T的某个子类。抽象工厂模式就是连这个函数F都是可变的。动态是指这个F是运行时可变。
那么这个接口怎么实现呢？我的想法是用一个map来记录类型组合(T, Args&&...)到工厂函数std::function<T*(Args&&...)>的映射，并存储std::function<T*(Args&&...)>。New的实现就是查找map中有没有对应的工厂函数，有就调用工厂函数，没有就调用T本身的构造函数。当然，也需要提供一个接口来修改这个map。
要实现这个map还有三个细节：
- 存储的std::function<T*(Args&&...)>是不同的类型，需要用类型擦除存储。如果可用c++17的话可直接用std::any，但我的环境有些老代码用GCc7编不过，所以还是只能用C++11，于是用std::shared_ptr<void>来代替（我一开始还是用std::unique_ptr+虚析构函数+继承来实现的，后来才知道std::shared_ptr自带这个功能）。
- map的key是一个类型组合，就用std::type_index吧。由于std::function<T*(Args&&...)>已经把整个类型组合包进去了，而且一定会实例化，就直接用它吧。于是key就成了std::type_index(typeid(std::function<T*(Args&&...)>))。
- 由于接口New(Args&&...)的每个参数类型Args&&都是引用类型，为了保持一致性，为了map能找到正确的函数，要求std::function中的每个参数也是引用类型，所以上面都写作std::function<T*(Args&&...)>。比如std::function<T*(int)>会转换成std::function<T*(int&&)>。
再加上修改map的接口SetFunc，第一版的动态抽象工厂就做好了：
class DynamicAbstractFactory {
public:
template <typename T, typename... Args>
std::unique_ptr<T> New(Args&&... args) {
auto iter = index2func_.find(std::type_index(typeid(std::function<T*(Args&&...)>)));
if (iter != index2func_.end()) {
return std::unique_ptr<T>((*reinterpret_cast<std::function<T*(Args&&...)>*>(iter->second.get()))(std::forward<Args>(args)...));
}
return std::unique_ptr<T>(new T(std::forward<Args>(args)...));
}
template <typename T, typename... Args>
void SetFunc(std::function<T*(Args...)>&& func) {
index2func_[std::type_index(typeid(std::function<T*(Args&&...)>))] = std::make_shared<std::function<T*(Args&&...)>>(std::move(func));
}
protected:
std::unordered_map<std::type_index, std::shared_ptr<void>> index2func_;
};于是B的代码及使用就变成这样：
class B {
public:
B(DynamicAbstractFactory& factory) : factory_(factory) {}
void Bar() {
factory_.New<A>()->Foo();
factory_.New<C>();
factory_.New<D>();
}
protected:
DynamicAbstractFactory& factory_;
};
// 旧环境，用原始A、C、D
// 当然B也可以用factory来生成
void Run() {
DynamicAbstractFactory factory;
factory.New<B>(factory)->Bar();
}
// 新环境，用A1、C、D
void Run1() {
DynamicAbstractFactory factory;
std::function<A*()> get_a = []() {
return new A1();
};
factory.SetFunc<A>(std::move(get_a));
factory.New<B>(factory)->Bar();
}这样就满足了一开始的需求，B在构造A、C、D的时候都留了一手，B并不需要知道实际构造的是什么，在B的外部，Run()和Run1()，可控制在B里具体要构造的对象。
写完后发现这东西作用不止于此，下面写写一些扩展用法。
寄存参数
子类的构造函数的参数可以跟父类不一样，通过lambda捕获来寄存。
struct A2 : public A {
A2(int i) {}
void Foo() override {}
};
void Run2() {
DynamicAbstractFactory factory;
int i = 0;
std::function<A*()> get_a = [i]() {
return new A2(i);
};
factory.SetFunc<A>(std::move(get_a));
factory.New<B>(factory)->Bar();
}存储所有构造出来的对象
上面的接口返回std::unique_ptr，还要管理对象生命周期，不如更进一步，用factory来管理所有它构造的对象，在factory析构时统一析构。因为我一般写后台rpc接口，可以在rpc请求开始时构造factory，在构造好回包后析构factory，这样在整个请求周期构造的对象都在，指针不会失效，而且在请求结束后可以很方便地进行异步析构，直接把factory丢到析构线程就好。
于是New接口返回值由std::unique_ptr改成T*，同时New可能会造成误解，改成Get。当然，存储肯定要用到类型擦除存储。就成了下面这样：
class GeneralStorage {
public:
GeneralStorage(size_t reserve_size = 256) {
storage_.reserve(reserve_size);
}
~GeneralStorage() {
// 保证按添加顺序逆序析构
while (storage_.size() > 0) {
storage_.pop_back();
}
}
template <class T, class... Args>
T* EmplaceBack(Args&&... args) {
auto p_obj = std::make_shared<T>(std::forward<Args>(args)...);
storage_.push_back(p_obj);
return p_obj.get();
}
protected:
std::vector<std::shared_ptr<void>> storage_;
};
class DynamicAbstractFactoryWithStorage {
public:
template <typename T, typename... Args>
T* Get(Args&&... args) {
auto iter = index2func_.find(std::type_index(typeid(std::function<T*(Args&&...)>)));
if (iter != index2func_.end()) {
return (*reinterpret_cast<std::function<T*(Args&&...)>*>(iter->second.get()))(std::forward<Args>(args)...);
}
return storage_.EmplaceBack<T>(std::forward<Args>(args)...));
}
template <typename T, typename... Args>
void SetFunc(std::function<T*(Args...)>&& func) {
index2func_[std::type_index(typeid(std::function<T*(Args&&...)>))] = std::make_shared<std::function<T*(Args&&...)>>(std::move(func));
}
protected:
std::unordered_map<std::type_index, std::shared_ptr<void>> index2func_;
GeneralStorage storage_;
};有个细节是对于改变过的工厂函数返回的指针是不应该存在storage_中的，而应该是在工厂函数中把对象存进storage_。上面的Run1()应该改成这样：
void Run1() {
DynamicAbstractFactoryWithStorage factory;
std::function<A*()> get_a = [&factory]() {
return factory.Get<A1>();
};
factory.SetFunc<A>(std::move(get_a));
factory.Get<B>(factory)->Bar();
}寄存指针，可析构的单例
当返回值由std::unique_ptr改成T*，就可以实现寄存指针了。可析构的单例指每次请求都重新构造，在请求结束后析构，但是请求之中只构造一次。看下面例子：
struct C {
C(DynamicAbstractFactoryWithStorage& factory) {
std::function<C*(DynamicAbstractFactoryWithStorage&)> func = [this](DynamicAbstractFactoryWithStorage& factory) {
return this;
};
factory.SetFunc<C>(std::move(func));
}
};
void Run() {
DynamicAbstractFactoryWithStorage factory;
factory.Get<C>(factory); // 构造C，并通过SetFunc把对象的指针寄存到factory中
factory.Get<C>(factory); // 调用C构造函数中的func，直接返回寄存的指针，不重复构造C
// factory析构时C的对象将被析构
}装饰工厂函数，责任链工厂
只要再加个接口GetFunc来获取当前的工厂函数，就可以对工厂函数玩装饰模式了。
GetFunc接口：
// 其它代码与上面一样
class DynamicAbstractFactoryWithStorage {
public:
template <typename T, typename... Args>
std::function<T*(Args&&...)> GetFunc() {
auto iter = index2func_.find(std::type_index(typeid(std::function<T*(Args&&...)>)));
if (iter != index2func_.end()) {
return *reinterpret_cast<std::function<T*(Args&&...)>*>(iter->second.get());
}
std::function<T*(Args&&...)> default_func = [this](Args&&... args) {
return storage_.EmplaceBack<T>(std::forward<Args>(args)...));
};
return default_func;
}
};统计调用次数：
struct C {
C(DynamicAbstractFactoryWithStorage& factory) {
std::function<C*(DynamicAbstractFactoryWithStorage&)> func = [this](DynamicAbstractFactoryWithStorage& factory) {
return this;
};
factory.SetFunc<C>(std::move(func));
}
uint32_t cnt_ = 0;
};
void Run() {
DynamicAbstractFactoryWithStorage factory;
auto func = factory.GetFunc<A>();
std::function<A*()> get_a = [func, &factory]() {
++factory.Get<C>()->cnt_;
return func();
};
factory.SetFunc<A>(std::move(get_a));
factory.Get<B>(factory)->Bar();
}用责任链模式搞个工厂：
struct D {
D() {}
D(int i) {}
};
struct D1 : public D {
D1(int i) {}
static void SetFactoryD(DynamicAbstractFactoryWithStorage& factory) {
// GetFunc的结果是std::fuction<D*(int&&)>类型的，这里经过了一次类型转换
std::function<D*(int)> func = factory.GetFunc<D, int>();
std::function<D*(int)> new_func = [func, &factory](int i) -> D* {
// 责任链模式
if (Check(i)) {
return factory.Get<D1>(i);
} else {
return func(i);
}
};
factory.SetFunc<D>(std::move(new_func));
}
// 构造D1的条件
static bool Check(int i) {
return i == 1;
}
};
// 与D1类似，除了Check
struct D2 : public D {
D2(int i) {}
static void SetFactoryD(DynamicAbstractFactoryWithStorage& factory) {
std::function<D*(int)> func = factory.GetFunc<D, int>();
std::function<D*(int)> new_func = [func, &factory](int i) -> D* {
if (Check(i)) {
return factory.Get<D2>(i);
} else {
return func(i);
}
};
factory.SetFunc<D>(std::move(new_func));
}
// 构造D2的条件
static bool Check(int i) {
return i == 2;
}
};
void Run() {
DynamicAbstractFactoryWithStorage factory;
D1::SetFactoryD(factory);
D2::SetFactoryD(factory);
factory.Get<D>(0); // D
factory.Get<D>(1); // D1
factory.Get<D>(2); // D2
}允许构造函数之外的参数组合
上面的实现要求new T(std::forward(args)...)能合法生成一个T对象指针，在一些情况下很难做到，比如T中有难以初始化的成员，又比如T是一个抽象类：
struct E {
E() = default;
virtual ~E() = default;
virtual void Foo() = 0;
};这样就要修改Get接口的逻辑，改成如果能合法调用构造函数，就调用，否则就不调用。但是这样放开之后，就各种参数组合都可以搞了，我觉得这样可能会很混乱，这边设置了这个参数组合，那边设置了另外的参数组合，不知道一共设置了哪几种参数组合。我觉得还是要加点限制，就规定参数组合必须在基类中定义。规定了一个方法名FactoryGet，所有非构造函数的参数组合要定义一个静态FactoryGet方法，方法返回T*，比如：
struct E {
E() = default;
static E* FactoryGet(int) {
return nullptr;
}
virtual ~E() = default;
virtual void Foo() = 0;
};这样Get接口的逻辑就可以改成如果能合法调用构造函数，就调用，否则就调用对应的FactoryGet方法，其他参数组合将会编译报错。同时也规定FactoryGet获得的指针不存进通用存储。于是DynamicAbstractFactoryWithStorage就改成这样：
// new T(std::forward<Args>(args)...)
// T::FactoryGet(std::forward<Args>(args)...)
// 要求上面两个表达式有且仅有一个合法并且返回T*，Get调用合法的那个。
template <typename T, typename F, typename = void>
struct DefaultGet;
template <typename T, typename... Args>
struct DefaultGet<T, void(Args...), typename std::enable_if<std::is_same<decltype(std::decay<T>::type::FactoryGet(std::forward<Args>(*reinterpret_cast<typename std::decay<Args>::type*>(0))...)), T*>::value, void>::type> {
static T* Get(GeneralStorage& storage, Args&&... args) {
return T::FactoryGet(std::forward<Args>(args)...);
}
};
template <typename T, typename... Args>
struct DefaultGet<T, void(Args...), typename std::enable_if<std::is_same<decltype(new typename std::decay<T>::type(std::forward<Args>(*reinterpret_cast<typename std::decay<Args>::type*>(0))...)), typename std::decay<T>::type*>::value, void>::type> {
static T* Get(GeneralStorage& storage, Args&&... args) {
return storage.EmplaceBack<typename std::decay<T>::type>(std::forward<Args>(args)...);
}
};
class DynamicAbstractFactoryWithStorage {
public:
// 每个Args都要是引用
template <typename T, typename... Args>
using FuncType = std::function<T*(Args&&...)>;
template <typename T, typename... Args>
T* Get(Args&&... args) {
auto iter = index2func_.find(std::type_index(typeid(FuncType<T, Args...>)));
if (iter != index2func_.end()) {
return (*reinterpret_cast<FuncType<T, Args...>*>(iter->second.get()))(std::forward<Args>(args)...);
}
return DefaultGet<T, void(Args&&...)>::Get(storage_, std::forward<Args>(args)...);
}
template <typename T, typename... Args>
void SetFunc(std::function<T*(Args...)>&& func) {
index2func_[std::type_index(typeid(FuncType<T, Args...>))] = std::make_shared<FuncType<T, Args...>>(std::move(func));
}
template <typename T, typename... Args>
FuncType<T, Args...> GetFunc() {
auto iter = index2func_.find(std::type_index(typeid(FuncType<T, Args...>)));
if (iter != index2func_.end()) {
return *reinterpret_cast<FuncType<T, Args...>*>(iter->second.get());
}
FuncType<T, Args...> default_func = [this](Args&&... args) {
return DefaultGet<T, void(Args&&...)>::Get(storage_, std::forward<Args>(args)...);
};
return default_func;
}
protected:
std::unordered_map<std::type_index, std::shared_ptr<void>> index2func_;
GeneralStorage storage_;
};这样E就能像上面那样用了。另外，想要返回const指针也是可以的。
struct E {
E() = default;
// 返回值改成了const E*
static const E* FactoryGet(int) {
return nullptr;
}
virtual ~E() = default;
virtual void Foo() = 0;
};
struct E1 : public E {
E1(int i) {}
static void SetFactoryE(DynamicAbstractFactoryWithStorage& factory) {
std::function<const E*(int)> func = factory.GetFunc<const E, int>();
std::function<const E*(int)> new_func = [func, &factory](int i) -> const E* {
if (Check(i)) {
return factory.Get<const E1>(i);
} else {
return func(i);
}
};
factory.SetFunc<const E>(std::move(new_func));
}
static bool Check(int i) {
return i == 1;
}
void Foo() override {}
};
void Run() {
DynamicAbstractFactoryWithStorage factory;
E1::SetFactoryE(factory);
factory.Get<const E>(0); // nullptr
factory.Get<const E>(1); // const E1*
}总结
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