说说Pluma插件管理框架

侯亮

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】

class PLUMA_API PluginManager{
public:
   ~PluginManager();
   bool load(const std::string& path);
   bool load(const std::string& folder, const std::string& pluginName);
   int loadFromFolder(const std::string& folder, bool recursive = false);
   bool unload(const std::string& pluginName);
   void unloadAll();
   bool addProvider(Provider* provider);
   void getLoadedPlugins(std::vector<const std::string*>& pluginNames) const;
   bool isLoaded(const std::string& pluginName) const;

protected:
   PluginManager();
   void registerType(const std::string& type, unsigned int version, 
                      unsigned int lowestVersion);
   const std::list<Provider*>* getProviders(const std::string& type) const;

private:
   static std::string getPluginName(const std::string& path);
   static std::string resolvePathExtension(const std::string& path);

private:
   typedef bool fnRegisterPlugin(Host&);
   typedef std::map<std::string,DLibrary*> LibMap;

   LibMap libraries;  ///< Map containing the loaded libraries
   Host host;         ///< Host app proxy, holding all providers
};

    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】

class Pluma: public PluginManager{
public:
   Pluma();

   template<typename ProviderType>
   void acceptProviderType();

   template<typename ProviderType>
   void getProviders(std::vector<ProviderType*>& providers);
};

#include <Pluma/Pluma.inl>

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】

inline Pluma::Pluma(){
   // Nothing to do
}

template<typename ProviderType>
void Pluma::acceptProviderType(){
   PluginManager::registerType(
       ProviderType::PLUMA_PROVIDER_TYPE,
       ProviderType::PLUMA_INTERFACE_VERSION,
       ProviderType::PLUMA_INTERFACE_LOWEST_VERSION
   );
}

template<typename ProviderType>
void Pluma::getProviders(std::vector<ProviderType*>& providers){
   const std::list<Provider*>* lst 
              = PluginManager::getProviders(ProviderType::PLUMA_PROVIDER_TYPE);
   if (!lst) return;
   providers.reserve(providers.size() + lst->size());
   std::list<Provider*>::const_iterator it;
   for (it = lst->begin() ; it != lst->end() ; ++it)
       providers.push_back(static_cast<ProviderType*>(*it));
}

    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<ProviderType>，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】

class PLUMA_API Host{
friend class PluginManager;
friend class Provider;

public:
   bool add(Provider* provider);

private:
   Host();
   ~Host();
   bool knows(const std::string& type) const;
   unsigned int getVersion(const std::string& type) const;
   unsigned int getLowestVersion(const std::string& type) const;
   void registerType(const std::string& type, unsigned int version, unsigned int lowestVersion);
   const std::list<Provider*>* getProviders(const std::string& type) const;
   void clearProviders();
   bool validateProvider(Provider* provider) const;
   bool registerProvider(Provider* provider);
   void cancelAddictions();
   bool confirmAddictions();

private:
   struct ProviderInfo{
       unsigned int version;
       unsigned int lowestVersion;
       std::list<Provider*> providers;
   };
   typedef std::map<std::string, ProviderInfo > ProvidersMap;
   typedef std::map<std::string, std::list<Provider*> > TempProvidersMap;

   ProvidersMap knownTypes;       ///< Map of registered types.
   TempProvidersMap addRequests;  ///< Temporarily added providers
};

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】

#include <Pluma/Pluma.hpp>
class Warrior{
public:
   virtual std::string getDescription() = 0;
   // (...)
};
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】

#define PLUMA_PROVIDER_HEADER(TYPE)\
PLUMA_PROVIDER_HEADER_BEGIN(TYPE)\
virtual TYPE* create() const = 0;\
PLUMA_PROVIDER_HEADER_END

#define PLUMA_PROVIDER_HEADER_BEGIN(TYPE)\
class TYPE##Provider: public pluma::Provider{\
private:\
   friend class pluma::Pluma;\
   static const unsigned int PLUMA_INTERFACE_VERSION;\
   static const unsigned int PLUMA_INTERFACE_LOWEST_VERSION;\
   static const std::string PLUMA_PROVIDER_TYPE;\
   std::string plumaGetType() const{ return PLUMA_PROVIDER_TYPE; }\
public:\
   unsigned int getVersion() const{ return PLUMA_INTERFACE_VERSION; }

#define PLUMA_PROVIDER_HEADER_END };

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

class WarriorProvider: public pluma::Provider{
private:
   friend class pluma::Pluma;
   static const unsigned int PLUMA_INTERFACE_VERSION;
   static const unsigned int PLUMA_INTERFACE_LOWEST_VERSION;
   static const std::string PLUMA_PROVIDER_TYPE;
   std::string plumaGetType() const{ return PLUMA_PROVIDER_TYPE; }
public:
   unsigned int getVersion() const{ return PLUMA_INTERFACE_VERSION; }
   virtual Warrior* create() const = 0;
};

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】

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

也在使用宏，展开宏后可见：

const std::string WarriorProvider::PLUMA_PROVIDER_TYPE = "Warrior";
const unsigned int WarriorProvider::PLUMA_INTERFACE_VERSION = 1;
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】

#include "Warrior.hpp"
class SimpleWarrior: public Warrior{
public:
   std::string getDescription(){
       return "Commoner: leaded by calpoleque";
   }
};
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】

#define PLUMA_INHERIT_PROVIDER(SPECIALIZED_TYPE, BASE_TYPE)\
class SPECIALIZED_TYPE##Provider: public BASE_TYPE##Provider{\
public:\
   BASE_TYPE * create() const{ return new SPECIALIZED_TYPE (); }\
};

展开后可见：

class SimpleWarriorProvider: public WarriorProvider{
public:
   Warrior * create() const { return new SimpleWarrior (); }
};

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：

#include <Pluma/Connector.hpp>
#include "Eagle.hpp"
#include "Jaguar.hpp"

PLUMA_CONNECTOR
bool connect(pluma::Host& host){
   host.add( new EagleProvider() );
   host.add( new JaguarProvider() );
   return true;
}

    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：

int main() 
{
   pluma::Pluma pluma;
   pluma.acceptProviderType<WarriorProvider>();   // 表明用户感兴趣东西，添加ProviderInfo
   pluma.load("plugins", "PlumaDemoWarriorPlugin");  // 加载动作，向ProviderInfo里加料

   std::vector<WarriorProvider*> providers;
   pluma.getProviders(providers);

   std::vector<WarriorProvider*>::iterator it;
   for (it = providers.begin(); it != providers.end(); ++it) {
       Warrior* warrior = (*it)->create();
       std::cout << warrior->getDescription() << std::endl;
       delete warrior;
   }
   pluma.unloadAll();
   std::cout << "Press any key to exit";
   std::cin.ignore(10000, '\n');
   return 0;
}

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】

template<typename ProviderType>
void Pluma::acceptProviderType(){
   PluginManager::registerType(
       ProviderType::PLUMA_PROVIDER_TYPE,
       ProviderType::PLUMA_INTERFACE_VERSION,
       ProviderType::PLUMA_INTERFACE_LOWEST_VERSION
   );
}

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】

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

【pluma-1.1/src/pluma/Host.cpp】

void Host::registerType(const std::string& type, unsigned int version, 
                        unsigned int lowestVersion){
    if (!knows(type)){
        ProviderInfo pi;
        pi.version = version;
        pi.lowestVersion = lowestVersion;
        knownTypes[type] = pi;
    }
}

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】

bool PluginManager::load(const std::string& path){
   std::string plugName = getPluginName(path);
   std::string realPath = resolvePathExtension(path);
   DLibrary* lib = DLibrary::load(realPath);
   ......
   fnRegisterPlugin* registerFunction;
   registerFunction = reinterpret_cast<fnRegisterPlugin*>
                                        (lib->getSymbol("connect"));
   ......
   if (!registerFunction(host)){
       ......
       return false;
   }

   if (host.confirmAddictions())
       libraries[plugName] = lib;
   else{
       ......
       return false;
   }
   return true;
}

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：

PLUMA_CONNECTOR
bool connect(pluma::Host& host){
   host.add( new EagleProvider() );
   host.add( new JaguarProvider() );
   return true;
}

    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】

bool Host::add(Provider* provider){
   if (provider == NULL){
       fprintf(stderr, "Trying to add a null provider.\n");
       return false;
   }
   if (!validateProvider(provider)){
       delete provider;
       return false;
   }

   // 临时放进 addRequests表
   addRequests[ provider->plumaGetType() ].push_back(provider);
   return true;
}

    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】

typedef std::map<std::string, std::list<Provider*> > TempProvidersMap;
......
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】

bool Host::confirmAddictions(){
   if (addRequests.empty()) return false;
   TempProvidersMap::iterator it;
   for( it = addRequests.begin() ; it != addRequests.end() ; ++it){
       std::list<Provider*> lst = it->second;
       std::list<Provider*>::iterator providerIt;
       for (providerIt = lst.begin() ; providerIt != lst.end() ; ++providerIt){
           knownTypes[it->first].providers.push_back(*providerIt);
       }
   }
   TempProvidersMap().swap(addRequests);  // 清空addRequests表
   return true;
}

    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】

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

【pluma-1.1/src/pluma/Host.cpp】

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

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】

void PluginManager::unloadAll(){
   host.clearProviders();
   LibMap::iterator it;
   for (it = libraries.begin() ; it != libraries.end() ; ++it){
       delete it->second;   // delete掉DLibrary对象
   }
   libraries.clear();
}

void Host::clearProviders(){
   ProvidersMap::iterator it;
   for (it = knownTypes.begin() ; it != knownTypes.end() ; ++it){
       std::list<Provider*>& providers = it->second.providers;
       std::list<Provider*>::iterator provIt;
       for (provIt = providers.begin() ; provIt != providers.end() ; ++provIt){
           delete *provIt;   // delete掉Provider对象
       }
       std::list<Provider*>().swap(providers);
   }
}

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。