c++实现反射类

.NET下的很多技术都是基于反射机制来实现的，反射让.NET平台下的语言变得得心应手。最简单的，比如枚举类型，我们我可以很容易的获得一个枚举变量的数值以及其名称字符串。

可是，在C++中，枚举变量本质上和一个整形变量没有区别，我们很难获取一个枚举变量的名称字符串。其实在C++中，我们可以通过宏来实现类似反射的机制。

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：

需要添加新的网页类型，因此需要添加对应的类型识别类；

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：

1    PageTypeDetector* DetectorFactoryCreate(const string& class_name);    

　　生成新闻网页类型识别的类可以如下调用：

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

　　DetectorFactoryCreate工厂方法中的实现逻辑大致是这样：

12345    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：

1    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 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：

12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940    // 负责实现反射的文件reflector.h: map 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.ccclass 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();  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：

123456789101112    // reflector.h，包含声明：extern map object_factory_map;Any GetInstanceByName(const string& name)； // reflector.cc：map 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：

12345    // reflector.ccmap& object_factory_map() {    static map* factory_map = new map;    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：

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142    // 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& 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& object_factory_map() {    static map* factory_map = new map;    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 >，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：

12345678910111213    #define REFLECTOR_BASE(base_class) \class base_class##Reflector { \ public: \  static base_class* GetInstanceByName(const string& name) { \     map& map = object_factory_map()[#base_class]; \     map::iterator iter = map.find(name); \     if (iter == map.end()) { \       return NULL; \     } \      Any object = iter->second->NewInstance(); \      return *(object.any_cast()); \} \};    

　　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：

1234    #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：

1234    #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：

工厂模式；

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）；

Any类型的实现；（准备写另外一篇文章来探讨其实现细节）

宏的定义以及使用；（基本覆盖了宏的所有知识）

全局变量构造函数与__attribute__((constructor))的执行顺序；（调试了很久）

__attribute__((constructor))的问题；（编译器有关，放在函数定义前或定义后）

全局空间只能是声明或者定义，不能是语句；

static在函数中的使用；

全局变量类的定义与使用。