C++设计模式类库 Loki介绍与用法
Loki是由Andrei编写的一个与《Modern C++ Design》(C++设计新思维)一书配套发行的C++代码库。
它不仅把C++模板的功能发挥到了极致,而且把类似设计模式这样思想层面的东西通过库来提供。
本篇文章介绍如何利用Loki来轻松地实现一些设计模式。
由于Loki使用了大量牛X到爆的模板技巧,对编译器的要求是很苛刻的,官方兼容列表里只列出了VC7.1以上版本及GCC3.4以上版本。如果你象我一样喜欢用C++Builder6或VC6,可以去下载《Modern C++ Design》配套源码,那里面的Loki提供了对其它不兼容编译器的移植代码,只是版本低了一点,有些接口有些差别。
最后,BTW,《Modern C++ Design》确实是一本好书,在这里也顺便推荐一下^_^
Loki的下载地址是
http://sourceforge.net/projects/loki-lib/,目前最新版本是Loki 0.1.7,后面的代码都使用这个版本作为测试标准。
编译
Loki库提供了N多种编译途经,你可以直接打开项目文件(VC、Code::Block、Cpp-Dev等IDE)编译,也可以用传统的makefile来make,还可以直接用批处理文件编译。象我这种被IDE惯坏的人,一般都是直接把src目录里的代码加入到项目中了事。
Singleton模式(单件模式)
Singleton模式确保一个类在系统中只有一个实例。比如一个窗口系统中只能有一个鼠标对象,只有一个屏幕对象,一个剪切板对象...。我们可以用一个全局变量来做这些工作,但它不能防止实例化多个对象。一个更好的办法是让类自身保存它的唯一实例,并且不允许创建其它实例,这就是Singleton模式。
Loki库的SingletonHolder类提供了对Singleton模式的支持
头文件
#include <loki/Singleton.h>
类型定义
template< typename T, template< class > class CreationPolicy = CreateUsingNew, template< class > class LifetimePolicy = DefaultLifetime, template< class, class > class ThreadingModel = ::Loki::SingleThreaded, class MutexPolicy = ::Loki::Mutex> class Loki::SingletonHolder;
Loki的类大部分都是基于策略编程的,其中最主要的是CreationPolicy,它决定了怎样生成一个类实例,可选的有:
template<template<class> class Alloc> struct CreateUsing; 在分配器分配的内存中生成实例,如 template <class T> struct CreateStatic 生成静态实例 template <class T> struct CreateUsingMalloc 使用malloc申请内存并在其中生成实例 template <class T> struct CreateUsingNew 使用new生成实例(默认)
示例代码
class MyClass{ public: // 有默认构造 MyClass(){;} // 显示自己所在的内存地址,用以区分是否是同一个对象 void ShowPtr() { std::cout << this << std::endl; } }; // 定义Singleton的MyClass typedef Loki::SingletonHolder<MyClass> MyClassSingleton; int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { // 通过Instance()静态方法取得MyClass实例 MyClass& v = MyClassSingleton::Instance(); v.ShowPtr(); // MyClassSingleton::Instance()总是返回同一个MyClass实例 MyClassSingleton::Instance().ShowPtr(); return 0; }
Loki::SingletonHolder默认的CreationPolicy策略要求类必须有默认构造,如MyClass这样。如果需要包装没有默认构造的类的话,我们就得自定义一个CreationPolicy策略,好在CreationPolicy策略比较简单,先看看Loki中默认的CreateUsingNew吧:
template <class T> struct CreateUsingNew { static T* Create() { return new T; } static void Destroy(T* p) { delete p; } };
呵呵,简单吧,只是简单的Create和Destroy而已。
我们只要修改Create()静态方法,new一个自己的对象就可以了,当然随便多少构造参数都可以在这里写上去啦。另外,如有必要,也可以做一些其它初始工作哦。
class MyClass2{ public: // 构造里要求两个整数 MyClass2(int,int){;} void ShowPtr() { std::cout << this << std::endl; } }; // 我们自己的CreationPolicy策略 template<class T> class CreateMyClass2UsingNew: public Loki::CreateUsingNew<T> { public: static T* Create() { return new T(0,0); } }; // 定义使用CreateMyClass2UsingNew策略的Singleton类 typedef Loki::SingletonHolder<MyClass2, CreateMyClass2UsingNew> MyClass2Singleton; // 使用之 int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { MyClass2Singleton::Instance().ShowPtr(); MyClass2Singleton::Instance().ShowPtr(); return 0; }
usidc52011-01-18 16:48
对象工厂 Object Factory
又名简单工厂模式,貌似不属于设计模式范畴。它的作用是把对象的创建工作集中起来,并使创建工作与其它部分解耦。比如下面这个函数也可当作简单工厂:
CWinBase* Create(string s) { if(s == "Edit") return new CEdit; else if(s == "Button") return new CButton; ... }
Loki库的Factory类提供了对简单工厂模式的支持。
头文件
#include
类型
template< class AbstractProduct, // “产品”基类型 typename IdentifierType, // 用什么区分各产品 typename CreatorParmTList = NullType, // 生成器参数 template< typename, class > class FactoryErrorPolicy = DefaultFactoryError> class Loki::Factory;
成员方法
bool Register(const IdentifierType& id, ProductCreator creator);以id作为识别码注册生成器。函数、对象方法或仿函数都可以作为生成器。
bool Unregister(const IdentifierType& id);取消注册
std::vector RegisteredIds();取得已注册的所有识别码
AbstractProduct* CreateObject(const IdentifierType& id);
AbstractProduct* CreateObject(const IdentifierType& id, Parm1 p1);
AbstractProduct* CreateObject(const IdentifierType& id, Parm1 p1, Parm2 p2);
...按识别码id生成对象(调用对应的生成器)
示例代码
#include #include #include #include // 窗体基类 struct IWidget{ virtual void printName() = 0; virtual ~IWidget(){;} }; // 定义窗体工厂,使用string区分各对象类型 typedef Loki::Factory widget_factory_t;</iwidget, std::string> // 按钮窗体 struct CButton : IWidget{ void printName() { std::cout << "CButton" << std::endl; } }; // 编辑框窗体 struct CEdit : IWidget{ void printName() { std::cout << "CEdit" << std::endl; } }; // 列表框窗体 struct CListBox : IWidget{ void printName() { std::cout << "CListBox" << std::endl; } }; int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { // 工厂实例 widget_factory_t wf; // 注册各种窗体的生成器,这里偷懒用了CreateUsingNew作为生成器 wf.Register("Edit", Loki::CreateUsingNew::Create ); wf.Register("Button", Loki::CreateUsingNew::Create ); wf.Register("ListBox", Loki::CreateUsingNew::Create ); // 测试,使用工厂生成窗体 { IWidget* pWid = wf.CreateObject("Edit"); pWid->printName(); delete pWid; } { IWidget* pWid = wf.CreateObject("ListBox"); pWid->printName(); delete pWid; } return 0; }
很多时候,工厂往往只需要一个实例,我们可以使用前面说过的SingletonHolder把widget_factory_t弄成Singleton模式。
上面生成CButton之类的窗体时使用的是默认构造,所以我偷懒没写各个类的生成器,直接用了Loki::CreateUsingNew。
如果你的类有构造参数的话,那么就得在Loki::Factory模板参数中指出参数类型,并且自定义生成器,就象这样:
#include #include #include // 窗体基类 struct IWidget{ virtual void printName() = 0; virtual ~IWidget(){;} }; // 定义窗体工厂,这里用Loki::Seq指定参数类型 typedef Loki::Factory< IWidget, std::string, Loki::Seq<int, char> > widget_factory_t; // 单件模式,注意Lifetime策略要选择Loki::LongevityLifetime::DieAsSmallObjectChild,否则... typedef Loki::SingletonHolder<widget_factory_t, loki::createusingnew,< span=""></widget_factory_t, loki::createusingnew,<> Loki::LongevityLifetime::DieAsSmallObjectChild> Singleton_Fac; // 按钮窗体 struct CButton : IWidget{ void printName() { std::cout << "CButton:" << m_txt << std::endl; } CButton(std::string txt, int, char) //多个构造参数 :m_txt(txt){} std::string m_txt; }; // 编辑框窗体 struct CEdit : IWidget{ void printName() { std::cout << "CEdit:" << m_txt << std::endl; } CEdit(std::string txt, int, char) //多个构造参数 :m_txt(txt){} std::string m_txt; }; // 列表框窗体 struct CListBox : IWidget{ void printName() { std::cout << "CListBox:" << m_txt << std::endl; } CListBox(std::string txt, int, char) //多个构造参数 :m_txt(txt){} std::string m_txt; }; // 自定义的窗体构造器,用模板只是为了方便点^_^ template<class T> struct CreateT { T * operator()(std::string txt, int p1, char p2) const { return new T(txt, p1, p2); } }; int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { // 工厂实例 widget_factory_t& wf = Singleton_Fac::Instance(); // 注册各种窗体的生成器,用我们的生成器 wf.Register("Edit", CreateT() ); wf.Register("Button", CreateT() ); wf.Register("ListBox", CreateT() ); // 测试,使用工厂生成窗体 { IWidget* pWid = wf.CreateObject("Edit", "Hello", 0, ' '); pWid->printName(); delete pWid; } { IWidget* pWid = wf.CreateObject("ListBox", "World", 0, ' '); pWid->printName(); delete pWid; } return 0; }
Loki::Seq是一个类似于TypeList的东东,可以存放一系列的类型。另外用SingletonHolder包装Factory时,一定要用Loki::LongevityLifetime::DieAsSmallObjectChild作为SingletonHolder的lifttime策略(Loki使用说明上说的,由于Factory使用了Loki内部的内存管理器SmallObject)。
usidc52011-01-18 16:49
Abstract Factory模式(抽象工厂)
抽象工厂提供了一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口,而无需指定具体的类。
比如要编写一个可换肤的用户界面,那么我们生成的每个窗体都应该遵循统一的风格,不应该在一个界面里同时出现Mac风格和Win风格的按钮。为了便于控制,我们可以这样写代码:
struct IWidgetFactory{ virtual IButton* CreateButton() = 0; virtual IEdit* CreateEdit() = 0; virtual IListBox* CreateListBox() = 0; }; struct CWindowsFactory : IWidgetFactory{ virtual IButton* CreateButton(){生成Win风格按钮;} virtual IEdit* CreateEdit(){生成Win风格编辑框;} virtual IListBox* CreateListBox(){生成Win风格列表框;} }; struct CMacFactory : IWidgetFactory{ virtual IButton* CreateButton(){生成Mac风格按钮;} virtual IEdit* CreateEdit(){生成Mac风格编辑框;} virtual IListBox* CreateListBox(){生成Mac风格列表框;} };
这样,在程序中我们要用执有IWidgetFactory指针,在必要时实例化某个具体风格的工厂类,最后所有的窗体都由这个IWidgetFactory指针来生成即可。这就是Abstract Factory模式。Loki库的AbstractFactory和ConcreteFactory提供了对Abstract Factory模式的支持。
头文件
#include
类型
template< class TList, template <class> class Unit = AbstractFactoryUnit>class AbstractFactory;AbstractFactory模板类是一个虚类,它根据TList中的类型提供一组Create<>()方法。
模板参数TList是一个Typelist,输入所有工厂可生产的产品基类,如前面的IButton,IEdit,IListBox。 模板参数Unit依据TList中的所有类型产生对应的Create<>()虚函数,一般直接用默认的AbstractFactoryUnit就可以了。
template< class AbstractFact, template <class, class> class Creator = OpNewFactoryUnit, class TList = typename AbstractFact::ProductList>class ConcreteFactory;ConcreteFactory实现了AbstractFactory中的Create<>()方法
模板参数AbstractFact就是对应的AbstractFactory类 模板参数Creator是产品实例的生成策略,可选的有OpNewFactoryUnit和PrototypeFactoryUnit。 OpNewFactoryUnit使用new生成新的产品实例; PrototypeFactoryUnit使用已有产品(原型)的Clone()方法生成新的实例,这也意味着要使用PrototypeFactoryUnit我们的产品基类必须要有T *Clone()成员方法。
TList提供一组具体的产品类型,如果Creator策略是PrototypeFactoryUnit,可以不提供。
演示代码
#include #include #include // 产品基类 struct IButton{ virtual void click() = 0; }; struct IEdit{ virtual void edit() = 0; }; struct IListBox{ virtual void scroll() = 0; }; // 抽象工厂 typedef Loki::AbstractFactory< LOKI_TYPELIST_3(IButton, IEdit, IListBox) //也可以用Loki::Seq< IButton, IEdit, IListBox >::Type > IWidgetFactory; // 具体产品-Win struct CWinBtn : IButton{ virtual void click(){ std::cout<< "CWinBtn Clicked" << std::endl; } }; struct CWinEdit : IEdit{ virtual void edit(){ std::cout<< "CWinEdit Editing" << std::endl; } }; struct CWinLB : IListBox{ virtual void scroll(){ std::cout<< "CWinLB Scrolling" << std::endl; } }; // 具体产品-Mac struct CMacBtn : IButton{ virtual void click(){ std::cout<< "CMacBtn Clicked" << std::endl; } }; struct CMacEdit : IEdit{ virtual void edit(){ std::cout<< "CMacEdit Editing" << std::endl; } }; struct CMacLB : IListBox{ virtual void scroll(){ std::cout<< "CMacLB Scrolling" << std::endl; } }; // 具体工厂 typedef Loki::ConcreteFactory< IWidgetFactory, Loki::OpNewFactoryUnit, LOKI_TYPELIST_3(CWinBtn, CWinEdit, CWinLB) > CWindowsFactory; typedef Loki::ConcreteFactory< IWidgetFactory, Loki::OpNewFactoryUnit, LOKI_TYPELIST_3(CMacBtn, CMacEdit, CMacLB) > CMacFactory; // 使用工厂生成的产品 void UsingWidget(IWidgetFactory *pFac) { IEdit* pEdt = pFac->Create(); IButton* pBtn = pFac->Create(); IListBox* pLB = pFac->Create(); pEdt->edit(); pBtn->click(); pLB->scroll(); delete pEdt; delete pBtn; delete pLB; } int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { // 使用Win风格 { CWindowsFactory winfac; UsingWidget(&winfac); } // 使用Mac风格 { CMacFactory macfac; UsingWidget(&macfac); } return 0; }
usidc52011-01-18 16:49
Visitor 模式(访问者模式)
访问者模式把对某对象结构中的各元素的相关操作集中到一起,可以方便地在不改变无素类的前提下添加新的操作。
假设一个XML类,我们可能要打印、保存、转换这个XML数据。实际上这些操作都需要遍历节点,不同的只是操作的方式,我们可以这样写代码:
struct IVisitor; struct TTextNode{ virtual void accept(IVisitor *visitor){ visitor->visit(this); } }; struct TCDataNode{ virtual void accept(IVisitor *visitor){ visitor->visit(this); } }; struct TElementNode{ virtual void accept(IVisitor *visitor){ visitor->visit(this); } }; struct IVisitor{ virtual void visit(TTextNode*) = 0; virtual void visit(TCDataNode*) = 0; virtual void visit(TElementNode*) = 0; }; struct CSaveVisitor{ virtual void visit(TTextNode*){ 保存文本内容 } virtual void visit(TCDataNode*){ 保存[[CData内容]] } virtual void visit(TElementNode*){ 保存<标签> 所有子节点.accept(this) } }; struct CPrintVisitor{ ... };
当然,这种模式的问题是可能会破坏一些封装性。我们这里不讨论Visitor模式的优劣,先看看Loki是怎么实现这个模式的吧
头文件
#include
类型
template< typename R = void, template <typename, class> class CatchAll = DefaultCatchAll, bool ConstVisitable = false>class BaseVisitable;可访问类型的基类,如果要让元素能被访问,要必须继承自BaseVisitable。
模板参数R是Accept()方法的返回值。 模板参数CatchAll表示某元素没有对应的访问方法时的反应,默认的DefaultCatchAll是什么也不做。 模板参数ConstVisitable表示Accept()方法是否是const方法。
class BaseVisitor;所有访问者的基类
template < class T, typename R = void, bool ConstVisit = false>class Visitor;访问者实现模板
模板参数T是一个Typelist,表示访问者能接受的所有元素类型 模板参数R是Visit()方法的返回值 模板参数ConstVisit表示Visit()方法是否是const方法。
示例代码
#include #include #include #include #include // XML元素 struct TTextNode : Loki::BaseVisitable<>{ LOKI_DEFINE_VISITABLE(); TTextNode(std::string text) :m_text(text){} std::string m_text; }; struct TCDataNode : Loki::BaseVisitable<>{ LOKI_DEFINE_VISITABLE(); TCDataNode(std::string text) :m_cdata(text){} std::string m_cdata; }; struct TElementNode : Loki::BaseVisitable<>{ LOKI_DEFINE_VISITABLE(); std::string m_name; TElementNode(std::string text) :m_name(text){} typedef Loki::BaseVisitable<> visitable_t; //这里用了Loki::SmartPtr,这是一个智能指针类型 typedef Loki::SmartPtr< Loki::BaseVisitable<> > ptr_t; std::vector< ptr_t > m_childs; }; // 访问者,必须继承自BaseVisitor class CPrintVisitor : public Loki::BaseVisitor, public Loki::Visitor { public: void Visit(TTextNode& n){std::cout << n.m_text;} void Visit(TCDataNode& n){std::cout << " << n.m_cdata << "]]>";} void Visit(TElementNode& n){ std::cout<<std::endl;< span=""> std::cout<< '<' << n.m_name << '>' << std::endl; for(size_t idx=0, len=n.m_childs.size(); idx<len; idx++ )< span=""></len; idx++ )<> { n.m_childs[idx]->Accept(*this); } std::cout<< std::endl << " << n.m_name << '>' << std::endl; } }; int main() { // 构建XML结构 TElementNode root("root"); TElementNode *child1 = new TElementNode("child1"); child1->m_childs.push_back(new TTextNode("hello")); TElementNode *child2 = new TElementNode("child2"); child2->m_childs.push_back(new TCDataNode("world >_<")); root.m_childs.push_back( child1 ); root.m_childs.push_back( child2 ); // 用CPrintVisitor访问XML所有元素 CPrintVisitor visitor; root.Accept(visitor); }
输出结果
hello_<]]>
usidc52011-01-18 16:51
大牛Andrei Alexandrescu的《Modern C++ Design》讨论的是C++语言的最前沿研究:generative programming。本书中译版估计得要半年以后才能出来,所以只能靠其所附源码来窥测generative programming了。
目前,我刚将源码读解了约一半,等全部读完,我会将我的读解注释放出来的。现在,现谈一下我的感想。
先扯得远一点。C++有两个巨大优点:和C兼容,自由;有两个巨大缺点:和C兼容,复杂。C++极其复杂,很难掌握,而这正是“自由”的代价。C++语言是个多编程风格的语言,它同时支持过程化、基于对象、面向对象、泛型、生成性这5种编程思想,具有极其强大的表达能力,可以方便地将各种设计转化为实现。
generic Programming的思想精髓是基于接口编程(相对于OOP,连多态所需的基类都不要了),它的技术出发点是选择子,核心技术是:类型推导、类型萃取、特化/偏特化,其成果是STL库:一组通用容器和一组操作于通用容器上的通用算法。
generative programming的思想精髓是基于策略编程(编译器根据策略自动生成所需代码,由于具有更高的抽象性,所以代码复用度也更高),在Loki库的实现中,目前只使用了递归策略,它的技术出发点是Typelist,核心技术是:类型推导、类型萃取、特化/偏特化、多重继承、类型间去耦合,其成果是Loki库:对设计模式的封装。
Typelist是一种对类型本身进行存储和管理的技巧,它的源码已经贴过了,我也作了注解,此处不再谈论。
这是多重继承在COM之后的又一大型运用。多重继承极易发生菱型缺陷,所以Loki库使用了类型间去耦合技术来避免:
template <typename T>
struct Type2Type
{
typedef T OriginalType;
};
经过这样一层转换后,原类型T间的各种转换关系(尤其是继承/派生关系)已不复存在,菱型缺陷不会再发生了。
Loki库的具体实现相当讲究技巧,设计它非常困难(难度远大于STL库,和Boost库有得一拼啊)。但使用它却非常容易,而且便利显著。由于Loki库提供了对设计模式的封装,所以极大量地丰富了C++语言的表达能力,使的你的设计更容易地转化为实现。
目前,Loki库只提供了对厂模式和visitor模式的封装,它还处于发展初期。