【设计模式】--C++设计模式类库 Loki介绍与用法

http://www.usidcbbs.com/simple/?t2428.html http://book.douban.com/subject/1119904/ 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; }

usidc5 2011-01-18 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<std::string, int</std::string, , 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）。

usidc5 2011-01-18 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; }

usidc5 2011-01-18 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 _<]]>

usidc5 2011-01-18 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。 　　我以visitor模式为例，讲解Loki库提供的便利。 　　Visitor模式有四种实现方式：1一串RTTI的类型判断；2二次调度（double dispatch）；3建立类型与处理函数的对应表；4非循环visitor（Acyclic Visitor）。在《More Effective C++》 Item 31中讨论了前3种实现（虽然它的例子本身不太算visitor模式的）。第四种方式在《使用设计模式改善程序结构》（二）（http://www-900.ibm.com/developerWorks/cn/java/l-dpstruct/part2/index.shtml）中有详细讲解。 Loki库实现图 　　使用Loki库，用户实现visitor模式时只需：让Host类从BaseVisitable继承，并在所有派生类中加上DEFINE_VISITABLE()宏，让所有Visitor类从BaseVisitor类和VisitorImpl类进行二重继承（并且可以只提供对自己感兴趣的Host类的处理函数，不感兴趣的不提供处理函数）。用户的工作量非常小、非常简单，设计人员可以不用为实现而分心了。 　　更重要的是，由于采用了类型间去耦合技术，多个Host之间存在继承关系时，不会发生问题（其具体实现较复杂，于是我在UML图上作了模糊处理，没有展示出来，留在以后Loki库源码读解时讲述）