C ++ 17中的通用工廠機制

Question

我想為一組派生類實現一種通用工廠機制，該機制使我不僅可以通用地實現一個工廠函數來創建該類的對象，而且還可以實現其他模板類的創建者，這些其他模板類的創建者將其中一個派生類作為模板參數。

理想情況下，解決方案僅使用C ++ 17功能（不依賴）。

考慮這個例子

#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();
}

運行

我正在尋找一種機制，使我可以在不列出所有類的情況下實現foo_factory和bar_factory ，這樣，一旦我將FooD添加為其他派生類，就不必更新它們。 理想情況下，不同的Foo衍生物將以某種方式“自我注冊”，但將它們全部集中在一個中心位置也是可以接受的。

編輯：

基於評論/答案的一些說明：

• 在我的情況下，有必要使用（類似）字符串來調用工廠，因為工廠的調用者使用Foo / BarInterface多態性，即他們不了解具體的派生類。 另一方面，在Bar中，我們希望使用派生的Foo類的模板方法並簡化內聯，這就是我們真正需要模板化的派生Bar類的原因（而不是通過某些基類接口訪問Foo對象）。
• 我們可以假設所有派生的Foo類都在一個位置定義（因此，如果需要，可以在同一位置一次列出所有它們的手動注冊是可以接受的）。 但是，他們不知道Bar的存在，實際上我們有多個不同的類，例如BarInterface和Bar 。 因此，我們無法創建Bar的“構造器對象”，也無法像對foo_factory一樣將其保存在地圖中。 我認為需要的是所有派生的Foo類型的某種“編譯時映射”（或列表），以便在定義bar_factory時，編譯器可以對其進行迭代，但是我不知道該怎么做。 ...

編輯2：

在討論過程中被證明是相關的其他限制條件：

• 模板和模板模板： Foo實際上是模板（具有單個類參數），而Bar是采用具體Foo作為模板參數的模板模板。 Foo模板沒有專長，並且都具有相同的“名稱”，因此可以查詢任何具體類型。 特別是SpecificFoo<double>::name始終有效。 @Julius的答案已被擴展以方便此操作。 對於@Yakk來說，可以完成相同的操作（但需要花費一些時間來詳細了解它）。
• 靈活的Bar工廠代碼： Bar的工廠所做的不僅僅是調用構造函數。 它還傳遞一些參數並進行某種類型轉換（特別是，它可能具有Foo引用，應將其動態dynamic_cast為對應的具體派生的Foo）。 因此，一種解決方案允許在定義bar_factory的過程中內聯編寫此代碼，這對我來說似乎最具可讀性。 @Julius的答案在這里非常有用，即使使用元組的循環代碼有些冗長。
• 使列出Foos的“單個位置”更加簡單：從到目前為止的答案中，我相信對我而言，要走的路是擁有foo類型的編譯時列表以及對其進行迭代的方法。 有兩個答案可以在一個中心位置（使用types模板或元組）定義Foo類型（或模板）的列表，這已經很好了。 但是，由於其他原因，我已經在同一中央位置有一個宏調用列表，每個foo調用一個宏調用，如DECLARE_FOO(FooA, "A") DECLARE_FOO(FooB, "B") ... 可以以某種方式利用FooTypes的聲明，因此我不必再次列出它們？ 我猜想這樣的類型列表不能被迭代聲明（追加到已經存在的列表中），或者可以嗎？ 在這種情況下，也許可以使用一些宏觀魔術。 也許總是在DECLARE_FOO調用中重新定義並附加到預處理器列表，然后最終進行一些“迭代循環”來定義FooTypes類型列表。 IIRC boost預處理器具有循環遍歷列表的功能（盡管我不希望boost依賴）。

對於更多context ，您可以將不同的Foo和它的模板參數視為類似於Eigen::Matrix<Scalar> ，而Bar是與Ceres一起使用的成本函數。 條形工廠將返回諸如ceres::AutoDiffCostFunction<CostFunctor<SpecificFoo>, ...>作為ceres::CostFunction*指針。

編輯3：

基於@Julius的答案，我創建了一個可與作為模板以及模板模板的Bars一起使用的解決方案。 我懷疑可以使用可變參數模板模板將bar_tmpl_factory和bar_ttmpl_factory統一為一個函數（是這樣嗎？）。

運行

去做：

• 結合bar_tmpl_factory和bar_ttmpl_factory
• 要點Making the "single place" listing the Foos even simpler從上方Making the "single place" listing the Foos even simpler
• 也許可以用@Yakk的types模板替換元組的使用（但是可以在循環的調用站點上對所有foo類型的內聯定義creator函數的方式）。

我認為這個問題已經回答，以上幾點應該是單獨的問題。

Answer 1

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

這使我們可以處理類型捆綁包，而沒有元組的開銷。

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{};

這使我們可以將類型用作值。

現在，類型標簽映射是一個接受類型標簽並返回另一個類型標簽的函數。

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 > >;
  }
};

這需要一個模板類型映射，並將其制作為標簽映射。

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)... );
}

這樣我們就可以測試一堆類型的條件，並對“成功”的類型運行操作。

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>...
    );
  }
};

現在我們要為某些模板類創建共享指針。

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)...); };
  }
};

這樣就使共享指針具有一種類型。

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

現在我們可以在編譯時編寫函數對象。

接下來將其連接起來。

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 。

最初的設計實際上是帶有lambda的c ++ 20 ，而不是shared_ptr_maker之類的struct 。

make_foos和make_bars運行時狀態make_bars零。

Answer 2

編寫如下所示的通用工廠，以允許在課程站點上注冊：

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;
    }
};

然后像這樣使用它：

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：無法保證將注冊該類。 如果沒有其他依賴關系，則編譯器可能會決定不包括轉換單元。 最好只在一個中心位置注冊所有課程。 還要注意，自注冊實現取決於內聯變量（C ++ 17）。 這不是一個很強的依賴關系，可以通過在標頭中聲明布爾值並在CPP中定義它們來擺脫它（這使自注冊更加丑陋，並且更容易失敗注冊）。

編輯

1. 與其他答案相比，此答案的缺點是它在啟動期間而不是在編譯期間執行注冊。 另一方面，這使代碼更簡單。

2. 上面的示例假定Bar<T>的定義移到Foo上方。 如果這不可能，那么可以在cpp中的初始化函數中完成注冊：

    // 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，在這種情況下，我們可以應用fold表達式來簡化生成函數std::make_unique<FooA>() ， std::make_unique<FooB>()的存儲過程。 。

---

首先，為方便起見，讓我們定義以下類型別名Generator ，它描述每個生成函數的類型[](){ return std::make_unique<T>(); } [](){ return std::make_unique<T>(); } ：

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

接下來，我們定義以下相當通用的函子createFactory ，該函數將每個工廠作為哈希映射std::unordered_map 。 在這里，我將fold表達式與逗號運算符一起應用。 例如， createFactory<BarInterface, Bar, std::tuple<FooA, FooB, FooC>>()()返回與您的函數bar_factory相對應的哈希圖：

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;
    }
};

此函子使我們能夠在一個中心位置列出FooA, FooB, FooC, ... ，如下所示：

DEMO （我在基類中添加了virtusl析構函數）

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

我認為需要的是所有派生的Foo類型的某種“編譯時映射”（或列表），以便在定義bar_factory時，編譯器可以對其進行迭代，但是我不知道該怎么做。 ...

這是一個基本選項：

#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;
}