如何在c++中实现一个简单的依赖注入容器? (IoC设计模式)

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最小可用c++依赖注入容器需管理类型生命周期并解析构造依赖链,通过模板+类型擦除(std::function/std::any)绕过无RTTI限制,支持单例/瞬态模式及循环依赖检测。

如何在c++中实现一个简单的依赖注入容器? (IoC设计模式)

依赖注入容器的核心要做什么

一个最小可用的 C++ 依赖注入容器,本质是管理类型生命周期 + 解决构造依赖链。它不一定要支持 xml 配置或反射,关键是能用代码注册类型、按需创建实例,并自动把依赖(比如 ServiceA 依赖 Repository)传进去。

难点不在“注入”本身,而在如何绕过 C++ 没有运行时类型信息(RTTI)和原生反射的限制——所以得靠模板 + 类型擦除 + 工厂函数组合实现。

std::function + std::any 存储工厂

不能直接存裸指针std::unique_ptr,因为类型 T 在注册时未知。需要用类型擦除手段统一接口

  • 注册时传入一个 std::function<:unique_ptr>()> 工厂,返回 void* 级别指针,靠调用方自己 static_cast
  • 或者更安全一点:用 std::any 包裹工厂,再用模板封装注册接口,把类型擦除细节藏起来
  • 避免用 dynamic_cast 或 RTTI 判断类型,性能差且不可靠;std::anytype() 可用于运行时校验,但不是主要逻辑分支
template void register_type() {     factories_[typeid(T)] = []() -> std::unique_ptr {         return std::make_unique();     }; }

解决构造参数依赖:递归解析模板参数

如果 ServiceB 构造函数ServiceB(std::shared_ptr, std::shared_ptr),容器就得在创建时自动提供这两个依赖。C++ 没法在运行时读取构造函数签名,所以必须靠编译期推导:

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  • 可变参数模板 + std::make_shared 组合,逐个解析 T 的构造函数参数类型
  • 每个参数类型都调用一次 resolve(),递归获取实例
  • 注意循环依赖:两个类互相 std::shared_ptr 构造对方 → 必须检测 resolving_ 集合,抛异常或返回 nullptr
  • 不支持原始指针或值类型参数(如 int port),除非显式绑定常量
template std::shared_ptr resolve() {     if (resolving_.count(typeid(T))) {         throw std::runtime_error("circular dependency for " + std::string(typeid(T).name()));     }     resolving_.insert(typeid(T));     auto ptr = std::shared_ptr(static_cast(create_instance().release()));     resolving_.erase(typeid(T));     return ptr; }

生命周期管理:singleton vs transient

默认每次 resolve() 都新建实例(transient),但多数服务需要单例(singleton)。关键不是“全局唯一”,而是“容器内唯一”:

  • std::unordered_map<:type_info const std::shared_ptr>> 缓存已创建的 singleton 实例
  • 注册时加标记:register_singleton(),内部走缓存分支;register_transient() 每次 new
  • 注意 std::shared_ptr 无法直接转型,得用 std::static_pointer_cast,所以缓存前要先转成具体类型再存为 void 指针
  • 析构顺序难控制:singleton 实例随容器销毁,但若其他静态对象依赖它,可能触发 use-after-free —— 所以建议所有依赖都通过 resolve() 获取,不要存裸指针

真正麻烦的不是写出来,而是当 resolve() 报错时,里全是模板展开层,错误信息里连哪个参数没注册都看不清。调试时得靠日志打点 + 类型名字符串化辅助定位。

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