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表驱动与工厂模式
关于表驱动
首次接触表驱动,还是在毕业不久之后。当时某部门经理给我们讲解重构,即《重构:改善既有代码的设计》一书中简化条件表达式部分,关于if语句的处理,将其替换为多态形式,例如说工厂模式。但是即使替换为工厂,switch或者if的判断依旧不能去除,那么有什么办法解决这个问题呢?
当时我还在研究STL源码,想到了traits编程技术,可以在编译期解决if的判断问题(虽然有这个想法,但是一直没有实现成功)。各路大牛提出了不同的见解,大家基本上都同意一条:使用“表”来解决。当时见识尚浅,不懂具体说的是什么意思,直到我知道了“表驱动”。
“表驱动”来自于《代码大全》,此书在我的定义里,为一本软件工程类的书。表驱动作为单独一章出现,并且在序言中推荐为初级程序员首读章节,可见其重要性。
首先,为什么要有表驱动呢?表驱动的目的是避免逻辑语句(if和case),而使用表来查找判断信息。那么为什么要这么做呢?《代码大全》第5.2章节提到,软件的首要技术使命:管理复杂度。复杂度可以靠圈复杂度(一个函数可执行路径的数目)来判断,具体要涉及到图论等等方方面面,不再展开说明。那么表驱动的使用就可以大幅度的降低复杂度。
其次,表驱动是什么?任何可以用逻辑语句来选择的事物,都可以通过查表来选择。例如说:情况1,选择事物1;情况2,选择事物2等等,存储在表中就是如下格式:
情况 | 事物 |
1 | 1 |
2 | 2 |
… | … |
那么,凡是用if和case来选择事物的语句,都可以替换为以下形式:
Table[选择的情况i];
这样就可以直接通过首地址+偏移量直接获取对应的内容,取消了判断逻辑。假设要选择第n个事物,那么就是首地址+n,直接得到了第n个事物。如果用正常的判断逻辑,那么可能需要判断n次才可以得到第n个事物。
其他具体内容,大家可以自己去百度一下~
工厂模式
工厂模式来源于《设计模式》,是最最基本的模式之一,也是最最常用的模式之一。工厂模式也非常简单。先来一个简单工厂说明一下表驱动的问题,其UML图如下:
那么创建Product时,大部分要经过此过程:
Product *product = nullptr; switch(productType) { case TYPE_PRODUCT1: product = new(std::nothrow)Product1(); break; case TYPE_PRODUCT2: product = new(std::nothrow)Product2(); break; case TYPE_PRODUCT3: product = new(std::nothrow)Product3(); break; case TYPE_PRODUCT4: product = new(std::nothrow)Product4(); break; default: break; }
问题就这么随着出来了,逻辑语句怎么用表驱动替换呢?
函数指针
进入正式主题之前,还有一些内容需要解决,因为表里面存储信息需要这一部分内容。
函数指针想必大家都有所了解,例如下面的代码:
// 定义一个函数指针 typedef void (*FuncPtr)(); // 定义与函数指针对应的函数 void Func() { std::cout <<"Func." << std::endl; } int main(int argc, char **argv) { // 将函数指针指向对应的函数 FuncPtr ptr = Func; // 调用函数 ptr(); return 0; }
工厂表驱动
有了产品类型,有了创建产品的方法,那么如何将其写入表中呢?一般我们会这么存储:
TYPE_PRODUCT1 | 创建TYPE_PRODUCT1类型的函数指针 |
TYPE_PRODUCT2 | 创建TYPE_PRODUCT2类型的函数指针 |
TYPE_PRODUCT3 | 创建TYPE_PRODUCT3类型的函数指针 |
TYPE_PRODUCT4 | 创建TYPE_PRODUCT4类型的函数指针 |
可是,我们在C++语言中应该如何实现呢?表可以用数组,map等方式实现,例如下面的代码:
typedef Product* (*NewProduct)(); struct ProductCreator { int m_productType; NewProduct m_newProductFuncPtr; }; const ProductCreator PRODUCT_CREATOR[] = { { TYPE_PRODUCT1, newProduct1 }, { TYPE_PRODUCT2, newProduct2 }, { TYPE_PRODUCT3, newProduct3 }, { TYPE_PRODUCT4, newProduct4 }, };
可是这样可以吗?由于new会把实际对象创建出来,不能转化为一个函数指针,所以肯定是不可以的。如何解决呢?
使用仿函数
百思不得其解,但是是问题总有解决的办法。要实现不同类型创建不同对象,不就是模板的思想么?从这个角度出发,问题马上就解决了~
解决方案,使用模板,创建一个仿函数(函数对象),通过函数对象创建实际的对象。实现代码如下:
typedef Product* (*NewProduct)(); template <class T> struct TypeCreator { static Product *New() { return(new(std::nothrow) T()); } }; struct ProductCreator { int m_productType; NewProduct m_newProductFuncPtr; }; const ProductCreator PRODUCT_CREATOR[] = { { TYPE_PRODUCT1,TypeCreator<Product1>::New }, { TYPE_PRODUCT2,TypeCreator<Product2>::New }, { TYPE_PRODUCT3,TypeCreator<Product3>::New }, { TYPE_PRODUCT4,TypeCreator<Product4>::New }, };
这样,就可以通过查PRODUCT_CREATOR这个表,取得函数对象,然后调用其方法就可以取得具体的对象,例如:
Product *product = PRODUCT_CREATOR[i].m_newProductFuncPtr();
使用指向Member function的指针
最近看了《深度探索C++对象模型》,收获颇丰,当看到指向Member function的指针时,突发奇想,果断来试一把,看看能否解决此问题。
指向Memberfunction的指针,顾名思义,就是指向一个类成员函数的指针,其实类似于函数指针,其声明方法如下:
class A { public: void Func() {std::cout << "A Func." << std::endl; } }; int main(int argc, char **argv) { void (A::* funcPtr)(); funcPtr =&A::Func; A a; (a.*funcPtr)(); A *b = new A; (b->*funcPtr)(); return 0; }
看到这样的代码,真是有一种“山穷水尽疑无路,柳暗花明又一村”的感觉呐,大快人心,赶紧来看看能否解决问题呢?
最终结果,失败了。原因有两个:
1. 实在想不出构造函数的指向Member function的指针怎么写。因为构造函数没有返回值,但是指向Member function的指针必须要有返回值的定义。
2. 还记得C++第一节课老师讲过的内容吗?老实说,一个类会默认自动生成构造函数,析构函数,拷贝构造函数。其实这个是错误的,根据构造函数语义学,一个类仅在下列四种情况下自动生成构造函数:
1> 如果一个类没有任何构造函数,但它的一个成员内部有默认构造函数,那么这个类也需要生成默认构造函数,不过这个操作仅在构造函数被调用时才会发生。
2> 当基类含有默认构造函数时,子类如果没有任何构造函数,则需合成默认构造函数。
3> 当类含有虚函数时,如果没有定义任何构造函数,则需合成默认构造函数。
4> 当类有虚继承时,如果没有定义任何构造函数,则需合成默认构造函数。
其实上面前两点是依赖于后两点的,为什么呢?看第一点和第二点,其都要求父类或者成员中包含默认构造,首先,认为声明的构造函数不叫默认构造;其次,既然存在默认构造,那么肯定是第三点或者第四点造成的。所以说第一点和第二点依赖于后两点。
所以说,下面这个类是没有构造函数的,包括默认构造函数:
class Product { public: int m_IntVal; };
那么要去通过一个指向Memberfunction的指针指向构造函数,肯定是失败的,所以编译器禁止指向构造函数的指针,并提示消息:
Error:a constructor or destructor may not have its address taken
进一步思考
首先,表驱动方法是必须掌握的一个技巧,使用它将带来程序效率上的提升,代码的整洁等等各个方面的好处。
其次,工程的管理必须进行相关方面标准的定义及控制,使用SourceMonitor等工具把握项目质量至关重要。这周员工培训上,听老韩这么多年经验的总结,让我深深认识了“没有银弹”这个深刻的道理,在“银弹”没有造出来的前提下,任何过程都必须严格控制,否则将陷入无穷无尽的“焦油坑”。
第三,继续给自己多挖几个坑吧,如果一直走平地,貌似永远也登不上高峰,因为同往高峰的路永远没有平路。
参考书目
《代码大全第二版》 Steve McConnell
《STL源码剖析》侯捷
《重构:改善既有代码的设计》Martin Fowler
《设计模式:可复用面向对象软件的基础》GoF四人帮
《大话设计模式》程杰
《深度探索C++对象模型》Stanley B.Lippman
《人月神话》Frederick P.Brooks.Jr.