C++反射机制的实现

导读（反射简介）

Reflection 是 Java 程序开发语言的特征之一，它允许运行中的 Java 程序对自身进行检查，或者说"自审"，并能直接操作程序的内部属性。即可以在运行时加载、探知、使用编译期间完全未知的classes。换句话说，Java程序可以加载一个运行时才得知名称的class，获悉其完整构造（但不包括methods定义），并生成其对象实体、或对其fields设值、或唤起其methods 即有类似如下语句

ClassA objA = ReflexCreat("ClassA")

这也是程序序列化的关键，可以吧相关的类对象以字符串的形式存贮到磁盘，然后利用反射机制读取序列化文件还原系统状态

然而遗憾的是 C++ 并不支持这一机制，但是在实际使用中这是一个很nice的功能，对与 C++ 的fans来说这个可是一个不怎么好的消息

但是考虑到MFC中的序列化功能，C++ 肯定也是有办法实现反射的功能的，下面就一起来探讨下C++ 反射机制的实现

一、实现（简单工厂）

学过设计模式的人对于简单工程模式肯定不会陌生，我们可以通过建立一个简单工厂模式，利用工厂通过类型名称帮助我们得到类的实体对象

代码形式如下

Class CFactory
{
public:
    Object* FactoryCreater(const std::string&  class_name)
    {
        if (class_name == "ClassA")
            return new ClassA;
        else if (class_name == "ClassB")
            return new ClassB;
        ...
        else return NULL;
    }
};

Class CFactory

{

public:

Object* FactoryCreater(const std::string& class_name)

{

if (class_name == "ClassA")

return new ClassA;

else if (class_name == "ClassB")

return new ClassB;

...

else return NULL;

}

};

客户端Client直接如下使用就好了

int main()
{
    CFactory factory;
    ClassA objA = factory.FactoryCreater("ClassA");
    ...
    return 0;
}

int main()

{

CFactory factory;

ClassA objA = factory.FactoryCreater("ClassA");

...

return 0;

}

这样好像我们实现了反射这一简单功能，但是仔细想想这么做仿佛有所不妥，每添加一个新的类，我们就需要在工厂方法中添加分支语句，这样做不但使得代码复杂化，同时也违背了设计模式的开闭原则，所以我们需要换一种方法来解决这个问题

二、实现&进阶（自动注册hash表，回调函数）

需要解决的几个要点

定义回调函数指针，指向创建类实例的回调函数
一个带有hash表的工厂类，用 '类的名称' 和 '指向创建类实例的回调函数的函数指针' 作为键值对
实现hash表的自动注册

如果实现了以上几点，基本上 C++下简单的反射功能就完成了

现在我们来一步一步解决以上问题（将整个反射的实现封装到Reflex.h和Reflex.cpp中）

带有hash表的Reflex类的实现(也是需要反射支持的类的基类)

//Reflex.h
class ClassInfo;
class Reflex
{
public:
    Reflex() {}
    virtual ~Reflex() {}
    //hash表注册
    static bool Register(ClassInfo* pCInfo);
    static Reflex* CreatObject(std::string className);
};

//Reflex.cpp
static std::map<std::string, ClassInfo*> *m_classInfoMap = NULL;

bool Reflex::Register(ClassInfo* pCInfo)
{
    if (!m_classInfoMap)
    {
        m_classInfoMap = new std::map<std::string, ClassInfo*>();
    }
    if (!pCInfo)
    {
        return false;
    }
    if (m_classInfoMap->end() == m_classInfoMap->find(pCInfo->m_className))
    {
        m_classInfoMap->insert(std::map<std::string, ClassInfo*>::value_type(pCInfo->m_className, pCInfo));
    }
    return true;
}

Reflex* Reflex::CreatObject(std::string className)
{
    std::map<std::string, ClassInfo*>::const_iterator c_iter = m_classInfoMap->find(className);
    if (m_classInfoMap->end() != c_iter)
    {
        //当传入字符串name后,通过name找到info,然后调用对应的CreatObject()即可  
        return c_iter->second->CreateObject();
    }
    return NULL;
}

//Reflex.h

class ClassInfo;

class Reflex

{

public:

Reflex() {}

virtual ~Reflex() {}

//hash表注册

static bool Register(ClassInfo* pCInfo);

static Reflex* CreatObject(std::string className);

};

//Reflex.cpp

static std::map<std::string, ClassInfo*> *m_classInfoMap = NULL;

bool Reflex::Register(ClassInfo* pCInfo)

{

if (!m_classInfoMap)

{

m_classInfoMap = new std::map<std::string, ClassInfo*>();

}

if (!pCInfo)

{

return false;

}

if (m_classInfoMap->end() == m_classInfoMap->find(pCInfo->m_className))

{

m_classInfoMap->insert(std::map<std::string, ClassInfo*>::value_type(pCInfo->m_className, pCInfo));

}

return true;

}

Reflex* Reflex::CreatObject(std::string className)

{

std::map<std::string, ClassInfo*>::const_iterator c_iter = m_classInfoMap->find(className);

if (m_classInfoMap->end() != c_iter)

{

//当传入字符串name后,通过name找到info,然后调用对应的CreatObject()即可

return c_iter->second->CreateObject();

}

return NULL;

}

定义回调函数函数指针，完成hash表自主注册的ClassInfo类

//Reflex.h
//函数指针、指向创建类实例的回调函数
typedef Reflex* (*ObjConstructorFun)();
class ClassInfo
{
public:
    ClassInfo(const std::string className, ObjConstructorFun classConstructor)
        :m_className(className), m_objectConstructor(classConstructor)
    {
        //classInfo的构造函数是传入类名和类对应的new函数然后自动注册进map中
        Reflex::Register(this);         
    }
    virtual ~ClassInfo() {}
    Reflex* CreateObject()const { return m_objectConstructor ? (*m_objectConstructor)() : NULL; }
    bool IsDynamic()const { return NULL != m_objectConstructor; }
    const std::string GetClassName()const { return m_className; }
    ObjConstructorFun GetConstructor()const { return m_objectConstructor; }
public:
    std::string m_className;
    ObjConstructorFun m_objectConstructor;
};

//Reflex.h

//函数指针、指向创建类实例的回调函数

typedef Reflex* (*ObjConstructorFun)();

class ClassInfo

{

public:

ClassInfo(const std::string className, ObjConstructorFun classConstructor)

:m_className(className), m_objectConstructor(classConstructor)

{

//classInfo的构造函数是传入类名和类对应的new函数然后自动注册进map中

Reflex::Register(this);

}

virtual ~ClassInfo() {}

Reflex* CreateObject()const { return m_objectConstructor ? (*m_objectConstructor)() : NULL; }

bool IsDynamic()const { return NULL != m_objectConstructor; }

const std::string GetClassName()const { return m_className; }

ObjConstructorFun GetConstructor()const { return m_objectConstructor; }

public:

std::string m_className;

ObjConstructorFun m_objectConstructor;

};

好了，到目前位置我们的局已经铺的差不多了，现在就是具体怎么用上我们的反射模块

方法如下

新定义的类若需要反射支持需要继承基类 Reflex
在新类中定义并实现返回自身对象指针的函数，用来作为回调函数指针指向的函数
持有一个静态ClassInfo对象，并使用类名和函数指针初始化，完成hash表的注册

需要反射支持的CTest类的申明如下

//Test.h
#include "Reflex.h"
class CTest : public Reflex
{
public:
    CTest();
    virtual ~CTest();
    virtual ClassInfo* GetClassInfo() const { return &m_classInfo; }
    static Reflex* CreatObject() { return new CTest; }
protected:
    static ClassInfo m_classInfo;
};

//Test.cpp
ClassInfo CTest::m_classInfo("CTest", CTest::CreatObject);

CTest::CTest()
{
    std::cout <<"ADDR: ["<< std::hex << (long)this
        << "] ,The Object Name is \"CTest\" construced!" << std::endl;
}


CTest::~CTest()
{
    std::cout <<"ADDR: ["<< std::hex << (long)this
        << "] ,The Object Name is \"CTest\" destroyed!" << std::endl;
}

//Test.h

#include "Reflex.h"

class CTest : public Reflex

{

public:

CTest();

virtual ~CTest();

virtual ClassInfo* GetClassInfo() const { return &m_classInfo; }

static Reflex* CreatObject() { return new CTest; }

protected:

static ClassInfo m_classInfo;

};

//Test.cpp

ClassInfo CTest::m_classInfo("CTest", CTest::CreatObject);

CTest::CTest()

{

std::cout <<"ADDR: ["<< std::hex << (long)this

<< "] ,The Object Name is \"CTest\" construced!" << std::endl;

}

CTest::~CTest()

{

std::cout <<"ADDR: ["<< std::hex << (long)this

<< "] ,The Object Name is \"CTest\" destroyed!" << std::endl;

}

客户端Client调用情况如下

int main()
{
    CTest* test = (CTest*)(Reflex::CreatObject("CTest"));
    delete test;
    return 0;
}

//输出情况：
ADDR: [7b4d40] ,The Object Name is "CTest" construced!
ADDR: [7b4d40] ,The Object Name is "CTest" destroyed!

int main()

{

CTest* test = (CTest*)(Reflex::CreatObject("CTest"));

delete test;

return 0;

}

//输出情况：

ADDR: [7b4d40] ,The Object Name is "CTest" construced!

ADDR: [7b4d40] ,The Object Name is "CTest" destroyed!

三、代码简化&宏（降低使用成本）

通过之前的代码我们已经在C++中实现了反射，但是可能大家发现了，每一个需要反射支持的类，我们都需要额外的添加一些代码，来保证反射模块的正常运作，而且这一部分除了类的名称之外就没有了什么不同。

聪明的你可能已经想到了，没错就是C+ +的宏，虽然C++的作者极力反对宏的使用，但是那啥你懂的（懒人就是理由多~），当然之前学习Windwos程序设计的时候，在MFC中微软的小哥哥们那才叫把宏玩的了个溜

言归正传，在基类Reflex.h中加入这一大段宏

//新申明类成员函数以及变量的注册
#define DECLARE_CLASS(class_name) \
    public:\
        virtual ClassInfo* GetClassInfo() const { return &m_classInfo; }\
        static Reflex* CreatObject()\
        {\
            return new class_name;\
        }\
    protected:\
        static ClassInfo m_classInfo;


//新申明类ClassInfo注册
#define REGISTER_CLASS(class_name)\
    ClassInfo class_name::m_classInfo(#class_name, class_name::CreatObject);

//利用自写反射生成类对象
#define REFLEX_CLASS(class_name)\
    (class_name*)(Reflex::CreatObject(#class_name))

//新申明类成员函数以及变量的注册

#define DECLARE_CLASS(class_name) \

public:\

virtual ClassInfo* GetClassInfo() const { return &m_classInfo; }\

static Reflex* CreatObject()\

return new class_name;\

protected:\

static ClassInfo m_classInfo;

//新申明类ClassInfo注册

#define REGISTER_CLASS(class_name)\

ClassInfo class_name::m_classInfo(#class_name, class_name::CreatObject);

//利用自写反射生成类对象

#define REFLEX_CLASS(class_name)\

(class_name*)(Reflex::CreatObject(#class_name))

于是乎，新申请的类就可以简化成酱紫

//Test.h
class CTest : public Reflex
{
public:
    CTest();
    virtual ~CTest();
    DECLARE_CLASS(CTest)
}

//Test.cpp
REGISTER_CLASS(CTest)
CTest::CTest()
{
}


CTest::~CTest()
{
}

//Test.h

class CTest : public Reflex

{

public:

CTest();

virtual ~CTest();

DECLARE_CLASS(CTest)

}

//Test.cpp

REGISTER_CLASS(CTest)

CTest::CTest()

{

}

CTest::~CTest()

{

}

四、结语

在这儿说一下宏里面的东西吧

最简单的 \就是当前宏的定义除了本行下面还有，告诉编译器后面的一起处理

#define OUT(name) printf(#name);

以这个为例其中的 #name之前的 #就表示把name格式化为字符串

#define T(name) Class## name

这里的 ## name 中的 ##就是连接符的意思,Class和可变字符name连接成一个字符串

到此C++中简单反射的实现就告一段落，若有错误，欢迎指正

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