• Pluma 插件管理框架


    1. 概述

        Pluma 是一个用 C++ 开发的可用于管理插件的开源架构,其官网地址为:http://pluma-framework.sourceforge.net/。该架构是个轻量级架构,非常易于理解。
        Pluma 架构有以下基本概念:
    1)插件的外在行为体现为一个纯虚类,可以叫作插件接口;
    2)继承于同一个插件接口的若干派生类,被认为属于同一种插件,可以叫作插件类;
    3)每一个插件接口或插件类都有个一一对应的 Provider 类,其中,插件接口对应的 Provider 类里会定义一个特殊字符串常量:PLUMA_PROVIDER_TYPE,表示这一类 “插件 Provider” 共同的类型名称,而这个类型名称其实就是插件接口的类名字符串。
    4)多个插件类可以被放入一个插件动态库中,而这个动态库文件名(不包括后缀部分)可以叫作 “插件名”。
    5)插件机制使用者可以在自己的架构中包含一个 Pluma 管理类,该类支持从所指定的位置加载一个或多个插件动态库,并将每个插件类对应的 Provider,记录进内部的表中。
    6)插件机制使用者可以在合适时机,利用 Pluma 获取内含的插件 Provider,并调用某个插件 Provider 的 create () 函数,创建出对应的插件对象。
    7)使用完插件对象后,不要忘了 delete 它。

        现在我们画一张示意图:

    2. Pluma 管理类

    我们刚刚也说了,插件机制使用者可以包含一个 Pluma 管理类。该类继承于 PluginManager 类。

    【pluma-1.1/include/pluma/PluginManager.hpp】

    1. class PLUMA_API PluginManager{
    2. public:
    3.    ~PluginManager();
    4.    bool load(const std::string& path);
    5.    bool load(const std::string& folder, const std::string& pluginName);
    6.    int loadFromFolder(const std::string& folder, bool recursive = false);
    7.    bool unload(const std::string& pluginName);
    8.    void unloadAll();
    9.    bool addProvider(Provider* provider);
    10.    void getLoadedPlugins(std::vector<const std::string*>& pluginNames) const;
    11.    bool isLoaded(const std::string& pluginName) const;
    12. protected:
    13.    PluginManager();
    14.    void registerType(const std::string& type, unsigned int version, 
    15.                       unsigned int lowestVersion);
    16.    const std::list<Provider*>* getProviders(const std::string& type) const;
    17. private:
    18.    static std::string getPluginName(const std::string& path);
    19.    static std::string resolvePathExtension(const std::string& path);
    20. private:
    21.    typedef bool fnRegisterPlugin(Host&);
    22.    typedef std::map<std::string,DLibrary*> LibMap;
    23.    LibMap libraries;  ///< Map containing the loaded libraries
    24.    Host host;         ///< Host app proxy, holding all providers
    25. };

        从上面的 load () 函数和 loadFromFolder () 函数可以看出,插件管理器既允许用户单独加载某个插件动态库,也允许批量性加载某个目录下所有的插件动态库。另外,值得注意的是,getProviders () 函数是 protected 的成员,也就是说,这套架构是不希望用户直接使用这个 PluginManager 类的,即便用了,你也拿不到 Provider。正确的做法是,使用 PluginManager 的子类:Pluma 管理类。

        另外,上面的成员变量 libraries,就是记录所有已加载的插件动态库的映射表。而成员变量 host 则负责记录每个插件类对应的 Provider 信息。之所以被称为 host(宿主),是针对插件而言的。也就是说插件本身实际上是没资格知道其真实宿主的全貌的,它只能访问和它相关的很小一部分数据而已,因此 Pluma 将这一小部分数据整理成一个 host 代理,供插件使用。    Pluma 管理类的代码截选如下:
    【pluma-1.1/include/pluma/Pluma.hpp】

    1. class Pluma: public PluginManager{
    2. public:
    3.    Pluma();
    4.    template<typename ProviderType>
    5.    void acceptProviderType();
    6.    template<typename ProviderType>
    7.    void getProviders(std::vector& providers);
    8. };
    9. #include

    请大家注意上面代码中最后一行,这个 Pluma.hpp 还真是有点手黑,偷偷摸摸 #include 了个 Pluma.inl 文件,其实展开来就是 acceptProviderType () 和 getProviders () 这两个模板函数的实现。Pluma.inl 文件的内容如下:
    【pluma-1.1/include/pluma/Pluma.inl】

    1. inline Pluma::Pluma(){
    2.    // Nothing to do
    3. }
    4. template<typename ProviderType>
    5. void Pluma::acceptProviderType(){
    6.    PluginManager::registerType(
    7.        ProviderType::PLUMA_PROVIDER_TYPE,
    8.        ProviderType::PLUMA_INTERFACE_VERSION,
    9.        ProviderType::PLUMA_INTERFACE_LOWEST_VERSION
    10.    );
    11. }
    12. template<typename ProviderType>
    13. void Pluma::getProviders(std::vector<ProviderType*>& providers){
    14.    const std::list<Provider*>* lst 
    15.               = PluginManager::getProviders(ProviderType::PLUMA_PROVIDER_TYPE);
    16.    if (!lst) return;
    17.    providers.reserve(providers.size() + lst->size());
    18.    std::list<Provider*>::const_iterator it;
    19.    for (it = lst->begin() ; it != lst->end() ; ++it)
    20.        providers.push_back(static_cast<ProviderType*>(*it));
    21. }

        看到了吧,重新定义了个 getProviders (),还搞成一个模板函数,在函数体内会反过来通过模板参数,进一步得到所涉及的插件 Provider 的 PLUMA_PROVIDER_TYPE 信息,这个技巧挺重要。也就是说,外界传来的是 vector,而函数内部可以推断出 ProviderType::PLUMA_PROVIDER_TYPE。将 PLUMA_PROVIDER_TYPE 传入父类的 PluginManager::getProviders () 函数,就可以拿到符合所指类型的所有 Provider。

        我们画一张 Pluma 简图,后面再细说相关细节:

    同一类插件类,会对应一个 ProviderInfo 节点,该节点内部的 providers 列表,记录着同属一类的若干 Provider。

    2.1 Host 代理

    【pluma-1.1/include/pluma/Host.hpp】

    1. class PLUMA_API Host{
    2. friend class PluginManager;
    3. friend class Provider;
    4. public:
    5.    bool add(Provider* provider);
    6. private:
    7.    Host();
    8.    ~Host();
    9.    bool knows(const std::string& type) const;
    10.    unsigned int getVersion(const std::string& type) const;
    11.    unsigned int getLowestVersion(const std::string& type) const;
    12.    void registerType(const std::string& type, unsigned int version, unsigned int lowestVersion);
    13.    const std::list<Provider*>* getProviders(const std::string& type) const;
    14.    void clearProviders();
    15.    bool validateProvider(Provider* provider) const;
    16.    bool registerProvider(Provider* provider);
    17.    void cancelAddictions();
    18.    bool confirmAddictions();
    19. private:
    20.    struct ProviderInfo{
    21.        unsigned int version;
    22.        unsigned int lowestVersion;
    23.        std::list<Provider*> providers;
    24.    };
    25.    typedef std::map<std::string, ProviderInfo > ProvidersMap;
    26.    typedef std::map<std::string, std::list<Provider*> > TempProvidersMap;
    27.    ProvidersMap knownTypes;       ///< Map of registered types.
    28.    TempProvidersMap addRequests;  ///< Temporarily added providers
    29. };

    正如前文所说,Host 代理是针对插件而言的。而 Host 只有一个 public 成员函数 add (),说明其主要对外行为就是让插件将对应的 provider 注册进 Host。

    3. 插件类和其对应的 Provider 类

        在说了一大堆插件管理类代码后,现在终于要开始说插件部分了。前文已经说过,插件的外在行为体现为一个纯虚类,可以叫作插件接口。我们现在就以 Pluma 源码中给出的例子为准,来说明一些细节。

    3.1 Warrior 接口和 WarriorProvider 类

        Pluma 中的插件接口例子是 Warrior,其源码截选如下:
    【pluma-1.1/example/src/interface/Warrior.hpp】

    1. #include <Pluma/Pluma.hpp>
    2. class Warrior{
    3. public:
    4.    virtual std::string getDescription() = 0;
    5.    // (...)
    6. };
    7. PLUMA_PROVIDER_HEADER(Warrior);

    这个接口里只象征性的写了一个成员函数 getDescription (),大家明白意思即可。

        需要注意的是类定义之后的那句 PLUMA_PROVIDER_HEADER,这个宏负责定义和插件接口对应的 Provider 类。相关的宏定义如下:
    【pluma-1.1/include/pluma/Pluma.hpp】

    1. #define PLUMA_PROVIDER_HEADER(TYPE)\
    2. PLUMA_PROVIDER_HEADER_BEGIN(TYPE)\
    3. virtual TYPE* create() const = 0;\
    4. PLUMA_PROVIDER_HEADER_END
    5. #define PLUMA_PROVIDER_HEADER_BEGIN(TYPE)\
    6. class TYPE##Provider: public pluma::Provider{\
    7. private:\
    8.    friend class pluma::Pluma;\
    9.    static const unsigned int PLUMA_INTERFACE_VERSION;\
    10.    static const unsigned int PLUMA_INTERFACE_LOWEST_VERSION;\
    11.    static const std::string PLUMA_PROVIDER_TYPE;\
    12.    std::string plumaGetType() const{ return PLUMA_PROVIDER_TYPE; }\
    13. public:\
    14.    unsigned int getVersion() const{ return PLUMA_INTERFACE_VERSION; }
    15. #define PLUMA_PROVIDER_HEADER_END };

    基于这些宏定义,我们可以将 PLUMA_PROVIDER_HEADER (Warrior) 展开为:

    1. class WarriorProvider: public pluma::Provider{
    2. private:
    3.    friend class pluma::Pluma;
    4.    static const unsigned int PLUMA_INTERFACE_VERSION;
    5.    static const unsigned int PLUMA_INTERFACE_LOWEST_VERSION;
    6.    static const std::string PLUMA_PROVIDER_TYPE;
    7.    std::string plumaGetType() const{ return PLUMA_PROVIDER_TYPE; }
    8. public:
    9.    unsigned int getVersion() const{ return PLUMA_INTERFACE_VERSION; }
    10.    virtual Warrior* create() const = 0;
    11. };

    代码很清晰,为 Warrior 接口声明一个配套的 WarriorProvider 类。这个类里包含着重要的 PLUMA_PROVIDER_TYPE 常量,以及最关键的 create () 函数。

        Warrior 的实现文件更加简单:
    【pluma-1.1/example/src/interface/Warrior.cpp】

    1. #include "Warrior.hpp"
    2. PLUMA_PROVIDER_SOURCE(Warrior, 1, 1);

    也在使用宏,展开宏后可见:

    1. const std::string WarriorProvider::PLUMA_PROVIDER_TYPE = "Warrior";
    2. const unsigned int WarriorProvider::PLUMA_INTERFACE_VERSION = 1;
    3. const unsigned int WarriorProvider::PLUMA_INTERFACE_LOWEST_VERSION = 1;

    因为 Warrior 本身是个纯虚类,所以 WarriorProvider 里也不用实现 create () 函数。

    3.2 Warrior 派生类和派生 Provider

        在 pluma 源码的例子中,提供了三个 Warrior 派生类,SimpleWarrior、Eagle 和 Jaguar。默认的是 SimpleWarrior,它被集成进 example/src/host 目录。也就是说,即便我们一个额外的插件库都不提供,示例至少还可以使用 SimpleWarrior。而 Eagle 和 Jaguar 则位于 example/src/plugin 目录,可以打包进一个插件动态库。

    【pluma-1.1/example/src/host/SimpleWarrior.hpp】

    1. #include "Warrior.hpp"
    2. class SimpleWarrior: public Warrior{
    3. public:
    4.    std::string getDescription(){
    5.        return "Commoner: leaded by calpoleque";
    6.    }
    7. };
    8. PLUMA_INHERIT_PROVIDER(SimpleWarrior, Warrior);

    前文我们已经看到,对于插件接口(Warrior)来说,用到的宏是 PLUMA_PROVIDER_HEADER(Warrior),现在针对实际插件类(SimpleWarrior),会用到另一个宏 PLUMA_INHERIT_PROVIDER(SimpleWarrior, Warrior)。这个宏的定义如下:
    【pluma-1.1/include/pluma/Pluma.hpp】

    1. #define PLUMA_INHERIT_PROVIDER(SPECIALIZED_TYPE, BASE_TYPE)\
    2. class SPECIALIZED_TYPE##Provider: public BASE_TYPE##Provider{\
    3. public:\
    4.    BASE_TYPE * create() const{ return new SPECIALIZED_TYPE (); }\
    5. };

    展开后可见:

    1. class SimpleWarriorProvider: public WarriorProvider{
    2. public:
    3.    Warrior * create() const { return new SimpleWarrior (); }
    4. };

    很简单,就是在完成 Provider 的核心使命,提供一个创建插件类对象的 create () 函数。与 SimpleWarriorProvider 类似,另外两个 Warrior 派生类 Eagle 和 Jaguar 大体也是这么写的。示意图如下:

    在研究 Pluma 所给示例时,我已事先将 Pluma 封装成静态库了,现在要把 Eagle 和 Jaguar 编译并封装成一个动态库,就需要链接 Pluma 静态库,除此之外,还需要编译其他一些辅助文件,列举如下:
    1)Connector.cpp
    2)dllmain.cpp
    3)Eagle.hpp
    4)Jaguar.hpp
    5)Warrior.cpp
    其中 Connector.cpp 文件,是插件动态库向外界 Host 注册自己所有 Provider 的地方。它必须实现一个 connect () 函数,代码截选如下:

    1. #include
    2. #include "Eagle.hpp"
    3. #include "Jaguar.hpp"
    4. PLUMA_CONNECTOR
    5. bool connect(pluma::Host& host){
    6.    host.add( new EagleProvider() );
    7.    host.add( new JaguarProvider() );
    8.    return true;
    9. }

        我们先不要着急分析上面的 connect () 动作,可以先跟着我看看插件的加载流程,后文我们就会知道,connect () 只是加载流程的一环而已。

    4. 插件加载流程

        我们看一下 Pluma 架构所给例子的 main () 函数,就可以了解插件的加载流程了:

    1. int main() 
    2. {
    3.    pluma::Pluma pluma;
    4.    pluma.acceptProviderType<WarriorProvider>();   // 表明用户感兴趣东西,添加ProviderInfo
    5.    pluma.load("plugins", "PlumaDemoWarriorPlugin");  // 加载动作,向ProviderInfo里加料
    6.    std::vector<WarriorProvider*> providers;
    7.    pluma.getProviders(providers);
    8.    std::vector<WarriorProvider*>::iterator it;
    9.    for (it = providers.begin(); it != providers.end(); ++it) {
    10.        Warrior* warrior = (*it)->create();
    11.        std::cout << warrior->getDescription() << std::endl;
    12.        delete warrior;
    13.    }
    14.    pluma.unloadAll();
    15.    std::cout << "Press any key to exit";
    16.    std::cin.ignore(10000, '\n');
    17.    return 0;
    18. }

    其中和加载插件相关的句子主要就是 pluma.acceptProviderType 和 pluma.load 两句了。前者主要负责在 Host 的 knownTypes 映射表中添加一个 ProviderInfo 节点,后者负责加载插件动态库,并将动态库里匹配的 Provider 指针记入 ProviderInfo 节点。

    4.1 pluma.acceptProviderType<>()

        我们先说 pluma.acceptProviderType 一句。在前文介绍 Pluma.inl 文件的内容时,我们已经看到一个叫作 acceptProviderType 的模板函数了,当时没有细说,现在我把它的代码再贴一下:
    【pluma-1.1/include/pluma/Pluma.inl】

    1. template<typename ProviderType>
    2. void Pluma::acceptProviderType(){
    3.    PluginManager::registerType(
    4.        ProviderType::PLUMA_PROVIDER_TYPE,
    5.        ProviderType::PLUMA_INTERFACE_VERSION,
    6.        ProviderType::PLUMA_INTERFACE_LOWEST_VERSION
    7.    );
    8. }

    里面调用的是 PluginManager 基类的 registerType () 函数。我们前文主要关心的是 PLUMA_PROVIDER_TYPE,现在再说一下后两个参数。PLUMA_INTERFACE_VERSION 表示管理器当前应该使用的插件接口的版本,因为我们不能确定更高版本的插件接口会不会增加或删除成员函数,所以这个值其实是个限定值,如果后续用户尝试加载更高版本的插件,那么是无法通过校验的。第三个参数 PLUMA_INTERFACE_LOWEST_VERSION 则是限定最低值,如果尝试加载比这个值更低版本的插件,肯定也是不会通过的。

        在刚刚看到的 main () 函数里,是这样写的:

    pluma.acceptProviderType<WarriorProvider>();

    也就是说,Pluma 插件管理器对 Warrior 接口对应的 WarriorProvider 类感兴趣。而当初定义 Warrior 时,在 Warrior.cpp 文件里的确指明了 WarriorProvider 能限定的当前版本号和最低版本号:

    PLUMA_PROVIDER_SOURCE(Warrior, 1, 1);

        这些类型信息、版本号限定信息都会被注册在 Host 的 knownTypes 映射表中,每种接口类型对应一个 ProviderInfo 节点。注册动作的代码如下:
    【pluma-1.1/src/pluma/PluginManager.cpp】

    1. void PluginManager::registerType(const std::string& type, unsigned int version,
    2.                                  unsigned int lowestVersion){
    3.     host.registerType(type, version, lowestVersion);
    4. }

    【pluma-1.1/src/pluma/Host.cpp】

    1. void Host::registerType(const std::string& type, unsigned int version, 
    2.                         unsigned int lowestVersion){
    3.     if (!knows(type)){
    4.         ProviderInfo pi;
    5.         pi.version = version;
    6.         pi.lowestVersion = lowestVersion;
    7.         knownTypes[type] = pi;
    8.     }
    9. }

    当然,新加的 ProviderInfo 节点的 providers 列表是个空列表,待后续再添加 Provider * 内容。

    4.2 pluma.load()

        接着,我们继续看 main () 函数里调用的 pluma.load (),其实调用的是其父类 PluginManager 的 load ()。相关代码截选如下:
    【pluma-1.1/src/pluma/PluginManager.cpp】

    1. bool PluginManager::load(const std::string& path){
    2.    std::string plugName = getPluginName(path);
    3.    std::string realPath = resolvePathExtension(path);
    4.    DLibrary* lib = DLibrary::load(realPath);
    5.    ......
    6.    fnRegisterPlugin* registerFunction;
    7.    registerFunction = reinterpret_cast<fnRegisterPlugin*>
    8.                                         (lib->getSymbol("connect"));
    9.    ......
    10.    if (!registerFunction(host)){
    11.        ......
    12.        return false;
    13.    }
    14.    if (host.confirmAddictions())
    15.        libraries[plugName] = lib;
    16.    else{
    17.        ......
    18.        return false;
    19.    }
    20.    return true;
    21. }

    可以看到,一开始就在着手加载动态库,并调用动态库里的 connect () 函数。前文我们实际上已经列举过示例代码里的 connect () 函数了,现在再贴一次:

    1. PLUMA_CONNECTOR
    2. bool connect(pluma::Host& host){
    3.    host.add( new EagleProvider() );
    4.    host.add( new JaguarProvider() );
    5.    return true;
    6. }

        前文在阐述到 connect () 时,暂时没有细说 add () 动作,现在我们来看看它的代码:
    【pluma-1.1/src/pluma/Host.cpp】

    1. bool Host::add(Provider* provider){
    2.    if (provider == NULL){
    3.        fprintf(stderr, "Trying to add a null provider.\n");
    4.        return false;
    5.    }
    6.    if (!validateProvider(provider)){
    7.        delete provider;
    8.        return false;
    9.    }
    10.    // 临时放进 addRequests表
    11.    addRequests[ provider->plumaGetType() ].push_back(provider);
    12.    return true;
    13. }

        上面代码中那个 plumaGetType () 函数其实是 Provider 的私有成员,一般人访问不了,但 Host 是它的友元类,所以可以访问。代码中会先校验待添加的 Provider 是否合格,如果合格则以 plumaGetType () 返回值为 key 值,并向临时映射表 addRequests 中添加该 Provider 指针。所谓合格是指,这个 Provider 的类型是 Host 感兴趣的,并且其版本号也是合适的。

        值得注意的是,待添加的 Provider*,只是临时先放进一个 addRequests 映射表中。addRequests 映射表的定义如下:
    【pluma-1.1/include/pluma/Host.hpp】

    1. typedef std::map<std::string, std::list<Provider*> > TempProvidersMap;
    2. ......
    3. TempProvidersMap addRequests;

    那么这个临时性的 addRequests 映射表的内容会怎样处理呢?说起来也简单,会被 “搬移” 进 Host 的 knownTypes 映射表中某个 ProviderInfo 的内部列表去。main () 在调用完 connect () 函数后,调用的 confirmAddictions () 就是做这个事情的:
    【pluma-1.1/src/pluma/Host.cpp】

    1. bool Host::confirmAddictions(){
    2.    if (addRequests.empty()) return false;
    3.    TempProvidersMap::iterator it;
    4.    for( it = addRequests.begin() ; it != addRequests.end() ; ++it){
    5.        std::list<Provider*> lst = it->second;
    6.        std::list<Provider*>::iterator providerIt;
    7.        for (providerIt = lst.begin() ; providerIt != lst.end() ; ++providerIt){
    8.            knownTypes[it->first].providers.push_back(*providerIt);
    9.        }
    10.    }
    11.    TempProvidersMap().swap(addRequests);  // 清空addRequests表
    12.    return true;
    13. }

        我们画一张调用关系图看看:

        我们可以通过这张调用关系图回顾一下,主要流程就是在加载插件动态库,并执行动态库里的 connect () 函数。该函数会将动态库里可用的所有 Provider * 记入 Host 的 knownTypes 映射表中。同时,动态库对应的 DLibrary 对象,也会插入 Pluma 管理类内部的 libraries 映射表中。

        为了巩固知识,我们把前文的两张图再整合一下。

    5. 使用插件 Provider

    5.1 pluma.getProviders()

        在 Providers 都添加进 Pluma 管理类后,我们就可以在需要时获取 provider 了,为此 Pluma 类提供了 getProviders () 函数:
    【pluma-1.1/src/pluma/PluginManager.cpp】

    1. const std::list<Provider*>* PluginManager::getProviders(const std::string& type) const{
    2.    return host.getProviders(type);
    3. }

    【pluma-1.1/src/pluma/Host.cpp】

    1. const std::list<Provider*>* Host::getProviders(const std::string& type) const{
    2.    ProvidersMap::const_iterator it = knownTypes.find(type);
    3.    if (it != knownTypes.end())
    4.        return &it->second.providers;
    5.    return NULL;
    6. }

    代码很简单,就是帮使用者把感兴趣的某类插件 Provider 全部找出来。如果当初我们已经通过 acceptProviderType () 注册了对应的类型(PLUMA_PROVIDER_TYPE),那么至少可以拿到一个 list,否则就只能拿到 NULL 了。如果我们可以拿到若干 Provider,就可以调用其 create () 函数创建对应的插件对象了。

        当工作做完后,用户应该及时 delete 掉之前创建出的插件对象。在程序退出之前,用户应该调用 pluma.unloadAll () 删除所有插件 Provider 及 DLibrary 对象。DLibrary 对象析构时,会自动关闭已经打开的动态链接库。
    【pluma-1.1/src/pluma/PluginManager.cpp】

    1. void PluginManager::unloadAll(){
    2.    host.clearProviders();
    3.    LibMap::iterator it;
    4.    for (it = libraries.begin() ; it != libraries.end() ; ++it){
    5.        delete it->second;   // delete掉DLibrary对象
    6.    }
    7.    libraries.clear();
    8. }
    1. void Host::clearProviders(){
    2.    ProvidersMap::iterator it;
    3.    for (it = knownTypes.begin() ; it != knownTypes.end() ; ++it){
    4.        std::list<Provider*>& providers = it->second.providers;
    5.        std::list<Provider*>::iterator provIt;
    6.        for (provIt = providers.begin() ; provIt != providers.end() ; ++provIt){
    7.            delete *provIt;   // delete掉Provider对象
    8.        }
    9.        std::list<Provider*>().swap(providers);
    10.    }
    11. }

    6. 结束

        至此,Pluma 架构的主体代码就分析完毕了,希望对大家有所帮助。

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