c++实现反射

c/c++

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2019-3-30

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反射机制在java中是一个非常重要的特性,比如在spring框架中,就使用了xml + 反射来完成类的动态扩展。
简单来说,反射就是根据一个字符串查找到一个类,查找到一个函数,并能生成这个类,或者函数的实例。换句话说,就是在运行期通过字符串到内存单元的反向映射。
在动态语言中,反射是非常容易实现的,在java中,由于有字节码作为中间层的存在,所以实现也并不复杂。但是对于c++来说,静态编译的程序在运行期能打交道的,只是一些内存地址,没有任何字符串相关的东西,也就是说,你写程序时的那些变量名,真正编译结束后,只是一些内存地址。
当然了,万事没有绝对。 要想在c++中实现类似java的反射功能,也是可以做到的,比如——增加中间层。
unix设计艺术里曾说过:所有的问题都可以通过增加中间层的方式来解决。
增加中间层也分两种,下面先说第一种:
1 编译期增加中间层
我们知道,程序在编译期,是有一个全局的符号对照表的,这个里面保存了字符串(变量或者类名)到内存地址的映射,但是一旦编译完成,在链接时,这些“多余”的信息都将不存在。因此只需要找到一个方式,能把这些信息保存下来,就可以了。顺着这个思路想下去,就会发现,我们只要把静态链接改为动态链接,就可以将需要的符号信息保存下来。
具体来说:
(1) 将所有需要动态创建的类放置于一个或多个独立的文件中;
(2) 将这些文件编译为一个.so文件;
(3) 在主程序中通过dlopen打开so文件;
(4) 调用dlsym(*pvSo, “create”)获得需要的函数;
在dlsym中,完成了从字符串到函数的映射。
这种方式其实很不错的,但是,对于c++来说,函数的命名方式和c完全不同,所以需要通过各种extern来修饰函数。而且,由于使用了动态编译,在so中就不能再使用一些模板的特性了。当然了,还有一些莫名其妙的很奇葩的坑,就不一一细说了。
简单的示例代码如下:

//test.so
class Test                                                                                               
{                                                                                                        
    public:                                                                                              
    void fun() {}                                                                                        
};                                                                                                       
                                                                                                         
extern "C" Test* create()                                                                                
{                                                                                                        
    return new CheckBankAtm;                                                                             
}                                                                                                        
                                                                                                         
//main
int main()                                                                                               
{                                                                                                        
    void* so = dlopen("test.so", RTLD_LAZY);                                                             
    Test* (*fun)();                                                                                      
                                                                                                         
    fun = (Test* (*) ()) dlsym(so, "create");                                                            
}                

2 运行期增加中间层
由于动态编译存在各种各样的问题,所以我们还是更倾向于选择静态编译。也就是说在运行期增加一个字符串到函数的中间层。我们需要准备一个全局的map,以字符串为key,函数指针作为value。同时提供一个注册机制,把每个需要的类注册到这个全局map中。这里还剩下最后一个问题,也是最重要的问题:谁来完成这个注册的过程?
如果是调用者来注册,那么首先,我们需要在调用的文件中include用到的所有类的头文件,之后,我们需要一个一个把类注册进来,如果需要注册的类有上千个,这个过程将会非常的繁杂。
如果是类的作者自己完成注册,就涉及到另一个问题,如何注册?因为注册的这个过程,本身需要在类外面,而且还必须是一段可执行代码。这样就又绕回了上面那步,谁来调用注册代码?
可以通过一个比较取巧的办法:类的静态对象。
我们知道,类的静态对象是全局的,而所有的全局变量,编译器保证了一定会在main执行前被初始化,换句话说,我们只要把注册代码放置于类的静态变量的初始化过程中,就可以了。
示例代码如下:

#include <iostream>
#include <string>
#include <map>

using namespace std;

#define BASE_CLASS Test
#define GLOBAL_FUN_MAP FunMap<BASE_CLASS>::get_fun_map()
#define DEFINE_CLASS(class_name, fun_name) \
    class_name(std::string) \
    {\
        GLOBAL_FUN_MAP.regist(#fun_name, class_name::fun_name);\
    }\
    class_name(){}\
    static class_name class_name##_;\
    static BASE_CLASS* fun_name()\
    {\
        return new class_name;\
    }
#define REGIST_CLASS(class_name) \
    class_name class_name::class_name##_(#class_name);

template <class T>
class FunMap
{
    typedef T* (*FUN)(void);
    map<std::string, FUN> fun_map_;
    public:
    void regist(string fun_name, FUN fun)
    {
        fun_map_[fun_name] = fun;  
    }

    T* get(const string fun_name)
    {
        if (fun_map_.end() != fun_map_.find(fun_name))
        {
            return fun_map_[fun_name](); 
        }
        else
        {
            return NULL;
        }
    }

    static FunMap<T>& get_fun_map()
    {
        static FunMap<T> fun_map;
        return fun_map;
    }
};

class Test
{};

class Test1 : public Test
{
    public:
    DEFINE_CLASS(Test1, test1)
};

class Test2 : public Test
{
    public:
    DEFINE_CLASS(Test2, test2)
};

REGIST_CLASS(Test1)
REGIST_CLASS(Test2)

int main()
{
    GLOBAL_FUN_MAP.get("test1");   
    GLOBAL_FUN_MAP.get("test2");   
    GLOBAL_FUN_MAP.get("11111111");
}

利用了多态和模板增加了程序的灵活性,同时使用了宏来简化代码。
使用时,需要在类中增加如下代码:

DEFINE_CLASS(Test1, test1)  //第一个参数为类名,第二个参数为字符串名

同时,需要在类的实现中增加:

REGIST_CLASS(Test1) //参数为类名