C ++ 17中的通用工厂机制

Question

我想为一组派生类实现一种通用工厂机制，该机制使我不仅可以通用地实现一个工厂函数来创建该类的对象，而且还可以实现其他模板类的创建者，这些其他模板类的创建者将其中一个派生类作为模板参数。

理想情况下，解决方案仅使用C ++ 17功能（不依赖）。

考虑这个例子

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>

struct Foo {
    virtual ~Foo() = default;
    virtual void hello() = 0;
};

struct FooA: Foo { 
    static constexpr char const* name = "A";
    void hello() override { std::cout << "Hello " << name << std::endl; }
};

struct FooB: Foo { 
    static constexpr char const* name = "B";
    void hello() override { std::cout << "Hello " << name << std::endl; }
};

struct FooC: Foo { 
    static constexpr char const* name = "C";
    void hello() override { std::cout << "Hello " << name << std::endl; }
};

struct BarInterface {
    virtual ~BarInterface() = default;
    virtual void world() = 0;
};

template <class T>
struct Bar: BarInterface {
    void world() { std::cout << "World " << T::name << std::endl; }
};

std::unique_ptr<Foo> foo_factory(const std::string& name) {
    if (name == FooA::name) {
        return std::make_unique<FooA>();
    } else if (name == FooB::name) {
        return std::make_unique<FooB>();
    } else if (name == FooC::name) {
        return std::make_unique<FooC>();
    } else {
        return {};
    }
}

std::unique_ptr<BarInterface> bar_factory(const std::string& foo_name) {
    if (foo_name == FooA::name) {
        return std::make_unique<Bar<FooA>>();
    } else if (foo_name == FooB::name) {
        return std::make_unique<Bar<FooB>>();
    } else if (foo_name == FooC::name) {
        return std::make_unique<Bar<FooC>>();
    } else {
        return {};
    }
}

int main()
{
    auto foo = foo_factory("A");
    foo->hello();
    auto bar = bar_factory("C");
    bar->world();
}

运行

我正在寻找一种机制，使我可以在不列出所有类的情况下实现foo_factory和bar_factory ，这样，一旦我将FooD添加为其他派生类，就不必更新它们。 理想情况下，不同的Foo衍生物将以某种方式“自我注册”，但将它们全部集中在一个中心位置也是可以接受的。

编辑：

基于评论/答案的一些说明：

• 在我的情况下，有必要使用（类似）字符串来调用工厂，因为工厂的调用者使用Foo / BarInterface多态性，即他们不了解具体的派生类。 另一方面，在Bar中，我们希望使用派生的Foo类的模板方法并简化内联，这就是我们真正需要模板化的派生Bar类的原因（而不是通过某些基类接口访问Foo对象）。
• 我们可以假设所有派生的Foo类都在一个位置定义（因此，如果需要，可以在同一位置一次列出所有它们的手动注册是可以接受的）。 但是，他们不知道Bar的存在，实际上我们有多个不同的类，例如BarInterface和Bar 。 因此，我们无法创建Bar的“构造器对象”，也无法像对foo_factory一样将其保存在地图中。 我认为需要的是所有派生的Foo类型的某种“编译时映射”（或列表），以便在定义bar_factory时，编译器可以对其进行迭代，但是我不知道该怎么做。 ...

编辑2：

在讨论过程中被证明是相关的其他限制条件：

• 模板和模板模板： Foo实际上是模板（具有单个类参数），而Bar是采用具体Foo作为模板参数的模板模板。 Foo模板没有专长，并且都具有相同的“名称”，因此可以查询任何具体类型。 特别是SpecificFoo<double>::name始终有效。 @Julius的答案已被扩展以方便此操作。 对于@Yakk来说，可以完成相同的操作（但需要花费一些时间来详细了解它）。
• 灵活的Bar工厂代码： Bar的工厂所做的不仅仅是调用构造函数。 它还传递一些参数并进行某种类型转换（特别是，它可能具有Foo引用，应将其动态dynamic_cast为对应的具体派生的Foo）。 因此，一种解决方案允许在定义bar_factory的过程中内联编写此代码，这对我来说似乎最具可读性。 @Julius的答案在这里非常有用，即使使用元组的循环代码有些冗长。
• 使列出Foos的“单个位置”更加简单：从到目前为止的答案中，我相信对我而言，要走的路是拥有foo类型的编译时列表以及对其进行迭代的方法。 有两个答案可以在一个中心位置（使用types模板或元组）定义Foo类型（或模板）的列表，这已经很好了。 但是，由于其他原因，我已经在同一中央位置有一个宏调用列表，每个foo调用一个宏调用，如DECLARE_FOO(FooA, "A") DECLARE_FOO(FooB, "B") ... 可以以某种方式利用FooTypes的声明，因此我不必再次列出它们？ 我猜想这样的类型列表不能被迭代声明（追加到已经存在的列表中），或者可以吗？ 在这种情况下，也许可以使用一些宏观魔术。 也许总是在DECLARE_FOO调用中重新定义并附加到预处理器列表，然后最终进行一些“迭代循环”来定义FooTypes类型列表。 IIRC boost预处理器具有循环遍历列表的功能（尽管我不希望boost依赖）。

对于更多context ，您可以将不同的Foo和它的模板参数视为类似于Eigen::Matrix<Scalar> ，而Bar是与Ceres一起使用的成本函数。 条形工厂将返回诸如ceres::AutoDiffCostFunction<CostFunctor<SpecificFoo>, ...>作为ceres::CostFunction*指针。

编辑3：

基于@Julius的答案，我创建了一个可与作为模板以及模板模板的Bars一起使用的解决方案。 我怀疑可以使用可变参数模板模板将bar_tmpl_factory和bar_ttmpl_factory统一为一个函数（是这样吗？）。

运行

去做：

• 结合bar_tmpl_factory和bar_ttmpl_factory
• 要点Making the "single place" listing the Foos even simpler从上方Making the "single place" listing the Foos even simpler
• 也许可以用@Yakk的types模板替换元组的使用（但是可以在循环的调用站点上对所有foo类型的内联定义creator函数的方式）。

我认为这个问题已经回答，以上几点应该是单独的问题。

Answer 1

template<class...Ts>struct types_t {};
template<class...Ts>constexpr types_t<Ts...> types{};

这使我们可以处理类型捆绑包，而没有元组的开销。

template<class T>
struct tag_t { using type=T;
  template<class...Ts>
  constexpr decltype(auto) operator()(Ts&&...ts)const {
    return T{}(std::forward<Ts>(ts)...);
  }
};
template<class T>
constexpr tag_t<T> tag{};

这使我们可以将类型用作值。

现在，类型标签映射是一个接受类型标签并返回另一个类型标签的函数。

template<template<class...>class Z>
struct template_tag_map {
  template<class In>
  constexpr decltype(auto) operator()(In in_tag)const{
    return tag< Z< typename decltype(in_tag)::type > >;
  }
};

这需要一个模板类型映射，并将其制作为标签映射。

template<class R=void, class Test, class Op, class T0 >
R type_switch( Test&&, Op&& op, T0&&t0 ) {
  return static_cast<R>(op(std::forward<T0>(t0)));
}

template<class R=void, class Test, class Op, class T0, class...Ts >
auto type_switch( Test&& test, Op&& op, T0&& t0, Ts&&...ts )
{
  if (test(t0)) return static_cast<R>(op(std::forward<T0>(t0)));
  return type_switch<R>( test, op, std::forward<Ts>(ts)... );
}

这样我们就可以测试一堆类型的条件，并对“成功”的类型运行操作。

template<class R, class maker_map, class types>
struct named_factory_t;

template<class R, class maker_map, class...Ts>
struct named_factory_t<R, maker_map, types_t<Ts...>>
{
  template<class... Args>
  auto operator()( std::string_view sv, Args&&... args ) const {
    return type_switch<R>(
      [&sv](auto tag) { return decltype(tag)::type::name == sv; },
      [&](auto tag) { return maker_map{}(tag)(std::forward<Args>(args)...); },
      tag<Ts>...
    );
  }
};

现在我们要为某些模板类创建共享指针。

struct shared_ptr_maker {
  template<class Tag>
  constexpr auto operator()(Tag ttag) {
    using T=typename decltype(ttag)::type;
    return [](auto&&...args){ return std::make_shared<T>(decltype(args)(args)...); };
  }
};

这样就使共享指针具有一种类型。

template<class Second, class First>
struct compose {
  template<class...Args>
  constexpr decltype(auto) operator()(Args&&...args) const {
    return Second{}(First{}( std::forward<Args>(args)... ));
  }
};

现在我们可以在编译时编写函数对象。

接下来将其连接起来。

using Foos = types_t<FooA, FooB, FooC>;
constexpr named_factory_t<std::shared_ptr<Foo>, shared_ptr_maker, Foos> make_foos;

constexpr named_factory_t<std::shared_ptr<BarInterface>, compose< shared_ptr_maker, template_tag_map<Bar> >, Foos> make_bars;

和完成 。

最初的设计实际上是带有lambda的c ++ 20 ，而不是shared_ptr_maker之类的struct 。

make_foos和make_bars运行时状态make_bars零。

Answer 2

编写如下所示的通用工厂，以允许在课程站点上注册：

template <typename Base>
class Factory {
public:
    template <typename T>
    static bool Register(const char * name) {
       get_mapping()[name] = [] { return std::make_unique<T>(); };
       return true;
    }
    static std::unique_ptr<Base> factory(const std::string & name) {
        auto it = get_mapping().find(name);
        if (it == get_mapping().end())
            return {};
        else
            return it->second();
    }

private:
    static std::map<std::string, std::function<std::unique_ptr<Base>()>> & get_mapping() {
        static std::map<std::string, std::function<std::unique_ptr<Base>()>> mapping;
        return mapping;
    }
};

然后像这样使用它：

struct FooA: Foo {
    static constexpr char const* name = "A";
    inline static const bool is_registered = Factory<Foo>::Register<FooA>(name);
    inline static const bool is_registered_bar = Factory<BarInterface>::Register<Bar<FooA>>(name);
    void hello() override { std::cout << "Hello " << name << std::endl; }
};

和

std::unique_ptr<Foo> foo_factory(const std::string& name) {
    return Factory<Foo>::factory(name);
}

注意：无法保证将注册该类。 如果没有其他依赖关系，则编译器可能会决定不包括转换单元。 最好只在一个中心位置注册所有课程。 还要注意，自注册实现取决于内联变量（C ++ 17）。 这不是一个很强的依赖关系，可以通过在标头中声明布尔值并在CPP中定义它们来摆脱它（这使自注册更加丑陋，并且更容易失败注册）。

编辑

1. 与其他答案相比，此答案的缺点是它在启动期间而不是在编译期间执行注册。 另一方面，这使代码更简单。

2. 上面的示例假定Bar<T>的定义移到Foo上方。 如果这不可能，那么可以在cpp中的初始化函数中完成注册：

    // If possible, put at the header file and uncomment: // inline const bool barInterfaceInitialized = [] { Factory<Foo>::Register<FooA>(FooA::name); Factory<Foo>::Register<FooB>(FooB::name); Factory<Foo>::Register<FooC>(FooC::name); Factory<BarInterface>::Register<Bar<FooA>>(FooA::name); Factory<BarInterface>::Register<Bar<FooB>>(FooB::name); Factory<BarInterface>::Register<Bar<FooC>>(FooC::name); return true; }(); 

Answer 3

在C ++ 17中，在这种情况下，我们可以应用fold表达式来简化生成函数std::make_unique<FooA>() ， std::make_unique<FooB>()的存储过程。 。

---

首先，为方便起见，让我们定义以下类型别名Generator ，它描述每个生成函数的类型[](){ return std::make_unique<T>(); } [](){ return std::make_unique<T>(); } ：

template<typename T>
using Generator = std::function<std::unique_ptr<T>(void)>;

接下来，我们定义以下相当通用的函子createFactory ，该函数将每个工厂作为哈希映射std::unordered_map 。 在这里，我将fold表达式与逗号运算符一起应用。 例如， createFactory<BarInterface, Bar, std::tuple<FooA, FooB, FooC>>()()返回与您的函数bar_factory相对应的哈希图：

template<typename BaseI, template<typename> typename I, typename T>
void inserter(std::unordered_map<std::string_view, Generator<BaseI>>& map)
{
    map.emplace(T::name, [](){ return std::make_unique<I<T>>(); });
}

template<typename BaseI, template<typename> class I, typename T>
struct createFactory {};

template<typename BaseI, template<typename> class I, typename... Ts>
struct createFactory<BaseI, I, std::tuple<Ts...>>
{
    auto operator()()
    {
        std::unordered_map<std::string_view, Generator<BaseI>> map;
        (inserter<BaseI, I, Ts>(map), ...);

        return map;
    }
};

此函子使我们能够在一个中心位置列出FooA, FooB, FooC, ... ，如下所示：

DEMO （我在基类中添加了virtusl析构函数）

template<typename T>
using NonInterface = T;

// This can be written in one central place.
using FooTypes = std::tuple<FooA, FooB, FooC>;

int main()
{    
    const auto foo_factory = createFactory<Foo, NonInterface, FooTypes>()();
    const auto foo = foo_factory.find("A");
    if(foo != foo_factory.cend()){
        foo->second()->hello();
    }

    const auto bar_factory = createFactory<BarInterface, Bar, FooTypes>()();
    const auto bar = bar_factory.find("C");
    if(bar != bar_factory.cend()){
        bar->second()->world();
    }

    return 0;
}

Answer 4

我认为需要的是所有派生的Foo类型的某种“编译时映射”（或列表），以便在定义bar_factory时，编译器可以对其进行迭代，但是我不知道该怎么做。 ...

这是一个基本选项：

#include <cassert>

#include <tuple>
#include <utility>

#include "foo_and_bar_without_factories.hpp"

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

template<std::size_t... indices, class LoopBody>
void loop_impl(std::index_sequence<indices...>, LoopBody&& loop_body) {
  (loop_body(std::integral_constant<std::size_t, indices>{}), ...);
}

template<std::size_t N, class LoopBody>
void loop(LoopBody&& loop_body) {
  loop_impl(std::make_index_sequence<N>{}, std::forward<LoopBody>(loop_body));
}

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

using FooTypes = std::tuple<FooA, FooB, FooC>;// single registration

std::unique_ptr<Foo> foo_factory(const std::string& name) {
  std::unique_ptr<Foo> ret{};

  constexpr std::size_t foo_count = std::tuple_size<FooTypes>{};

  loop<foo_count>([&] (auto i) {// `i` is an std::integral_constant
    using SpecificFoo = std::tuple_element_t<i, FooTypes>;
    if(name == SpecificFoo::name) {
      assert(!ret && "TODO: check for unique names at compile time?");
      ret = std::make_unique<SpecificFoo>();
    }
  });

  return ret;
}

std::unique_ptr<BarInterface> bar_factory(const std::string& name) {
  std::unique_ptr<BarInterface> ret{};

  constexpr std::size_t foo_count = std::tuple_size<FooTypes>{};

  loop<foo_count>([&] (auto i) {// `i` is an std::integral_constant
    using SpecificFoo = std::tuple_element_t<i, FooTypes>;
    if(name == SpecificFoo::name) {
      assert(!ret && "TODO: check for unique names at compile time?");
      ret = std::make_unique< Bar<SpecificFoo> >();
    }
  });

  return ret;
}