C++（C++17/20）最佳工厂写法和SLAM应用综合示例

现代 C++（C++17/20）下的最佳工厂写法

一、现代 C++ 工厂设计的基本原则

在 C++17/20 下，好的工厂写法通常满足：

1. RAII + 明确所有权

   • 返回std::unique_ptr<T>为默认

2. 无switch/ 无 RTTI

3. 支持扩展而不修改（OCP）

4. 构造逻辑与业务逻辑分离

5. 尽量零运行期成本或可控成本

二、最推荐写法：注册式工厂（Registry-based Factory）

90% 工程项目的首选

1. 基本结构

classBase{public:virtual~Base()=default;virtualvoidrun()=0;};usingCreator=std::function<std::unique_ptr<Base>()>;

classFactory{public:staticFactory&instance(){staticFactory f;returnf;}voidregisterCreator(std::string key,Creator creator){creators_.emplace(std::move(key),std::move(creator));}std::unique_ptr<Base>create(conststd::string&key)const{returncreators_.at(key)();}private:std::unordered_map<std::string,Creator>creators_;};

2. 自动注册（推荐）

template<typenameT>structAutoRegister{AutoRegister(conststd::string&key){Factory::instance().registerCreator(key,[]{returnstd::make_unique<T>();});}};

classImplA:publicBase{public:voidrun()override{}};staticAutoRegister<ImplA>regA("A");

优点

• 零侵入
• 插件友好
• 新增类型无需改工厂

3. 为什么这是“现代”写法？

• 使用unique_ptr明确所有权
• Lambda 消除样板代码
• static局部变量保证线程安全（C++11+）
• 完全 OCP

三、带参数的现代工厂写法（非常常见）

1. 问题

构造函数有参数：

ImplA(intw,doubles);

2. 推荐方案：参数对象（Parameter Object）

structConfig{intwidth;doublescale;};

usingCreator=std::function<std::unique_ptr<Base>(constConfig&)>;

classFactory{public:voidregisterCreator(std::string key,Creator c){creators_[key]=std::move(c);}std::unique_ptr<Base>create(conststd::string&key,constConfig&cfg)const{returncreators_.at(key)(cfg);}private:std::unordered_map<std::string,Creator>creators_;};

Factory::instance().registerCreator("A",[](constConfig&cfg){returnstd::make_unique<ImplA>(cfg.width,cfg.scale);});

工程价值

• 构造参数可扩展
• 工厂接口稳定
• 不破坏 ABI

四、C++20 改进：Concept + 工厂

适合大型工程 / 库级代码

template<typenameT>conceptProduct=std::derived_from<T,Base>&&std::default_initializable<T>;

template<Product T>voidregisterType(std::string key){Factory::instance().registerCreator(std::move(key),[]{returnstd::make_unique<T>();});}

收益

• 编译期约束
• 错误更早暴露
• 接口自文档化

五、高性能版本：无std::function

当工厂在热路径中被频繁调用：

1. 问题

• std::function可能引入堆分配
• 虚调用 + 间接跳转

2. 解决方案：函数指针 / 模板表

usingCreator=std::unique_ptr<Base>(*)();

template<typenameT>std::unique_ptr<Base>createImpl(){returnstd::make_unique<T>();}

creators_["A"]=&createImpl<ImplA>;

权衡

• 性能更优
• 灵活性略降
• 适合内核模块

六、编译期工厂（零运行期开销）

当类型集合在编译期固定

template<typenameT>std::unique_ptr<Base>create(){returnstd::make_unique<T>();}

调用方：

autoobj=create<ImplA>();

适合

• 算法内核
• 无运行期配置
• 性能敏感路径

七、工厂 + 插件系统（dlopen）

典型结构：

Factory (主程序) ↑ PluginA.so → register("A") PluginB.so → register("B")

插件加载时执行：

extern"C"voidregisterPlugin(){Factory::instance().registerCreator("A",[]{returnstd::make_unique<ImplA>();});}

这是现代大型 C++ 系统最常见的用法之一。

八、现代 C++ 工厂的反例（请避免）

返回裸指针

Base*create();

工厂中塞业务逻辑

createAndRunAndValidate();

构造参数散落

create(int,int,double,bool);

九、快速选型总结

十、总结

现代 C++ 的工厂模式，本质是：
用类型系统 + RAII + 注册机制，
将“变化”限制在最小边界内。

一个真实 SLAM 模块的完整工厂实现

示例模块：FeatureExtractor

一、模块目标与设计边界

1. 目标

• 支持多种特征提取算法（ORB / FAST / SuperPoint）
• 通过配置文件选择实现
• 不修改核心逻辑即可新增算法
• 生命周期与 SLAM 系统一致

2. 架构位置（典型 SLAM）

Frontend ├── FeatureExtractor ← 工厂创建 ├── FeatureMatcher └── Tracker

FeatureExtractor 是典型“策略可替换模块”

二、接口定义

feature_extractor.h

#pragmaonce#include<vector>#include<opencv2/core.hpp>structFeature{cv::KeyPoint keypoint;cv::Mat descriptor;};classFeatureExtractor{public:virtual~FeatureExtractor()=default;virtualstd::vector<Feature>extract(constcv::Mat&image)=0;};

设计要点

• 纯接口
• 无构造参数
• 不暴露具体实现细节

三、参数对象（Config）

extractor_config.h

#pragmaonce#include<string>structExtractorConfig{std::string type;// "ORB" / "FAST" / ...intmax_features=1000;floatscale_factor=1.2f;intlevels=8;};

关键工程点

• 构造参数集中
• 新增参数不破坏工厂接口
• 易于 YAML / JSON 映射

四、具体实现（变化层）

orb_extractor.h

#pragmaonce#include"feature_extractor.h"#include"extractor_config.h"classORBExtractorfinal:publicFeatureExtractor{public:explicitORBExtractor(constExtractorConfig&cfg);std::vector<Feature>extract(constcv::Mat&image)override;private:intmax_features_;floatscale_factor_;intlevels_;};

orb_extractor.cpp

#include"orb_extractor.h"ORBExtractor::ORBExtractor(constExtractorConfig&cfg):max_features_(cfg.max_features),scale_factor_(cfg.scale_factor),levels_(cfg.levels){}std::vector<Feature>ORBExtractor::extract(constcv::Mat&image){std::vector<Feature>features;// ORB extraction logic...returnfeatures;}

五、工厂定义（核心）

feature_extractor_factory.h

#pragmaonce#include<memory>#include<unordered_map>#include<functional>#include<string>#include"feature_extractor.h"#include"extractor_config.h"classFeatureExtractorFactory{public:usingCreator=std::function<std::unique_ptr<FeatureExtractor>(constExtractorConfig&)>;staticFeatureExtractorFactory&instance();voidregisterCreator(conststd::string&type,Creator creator);std::unique_ptr<FeatureExtractor>create(constExtractorConfig&cfg)const;private:FeatureExtractorFactory()=default;std::unordered_map<std::string,Creator>creators_;};

feature_extractor_factory.cpp

#include"feature_extractor_factory.h"#include<stdexcept>FeatureExtractorFactory&FeatureExtractorFactory::instance(){staticFeatureExtractorFactory factory;returnfactory;}voidFeatureExtractorFactory::registerCreator(conststd::string&type,Creator creator){creators_[type]=std::move(creator);}std::unique_ptr<FeatureExtractor>FeatureExtractorFactory::create(constExtractorConfig&cfg)const{autoit=creators_.find(cfg.type);if(it==creators_.end()){throwstd::runtime_error("Unknown FeatureExtractor type: "+cfg.type);}returnit->second(cfg);}

六、自动注册（工程关键技巧）

extractor_register.h

#pragmaonce#include"feature_extractor_factory.h"template<typenameT>structExtractorRegistrar{ExtractorRegistrar(conststd::string&type){FeatureExtractorFactory::instance().registerCreator(type,[](constExtractorConfig&cfg){returnstd::make_unique<T>(cfg);});}};

orb_register.cpp

#include"orb_extractor.h"#include"extractor_register.h"staticExtractorRegistrar<ORBExtractor>reg_orb("ORB");

重要工程特性

• 无需修改工厂

• 新算法只需：

  • 新类
  • 新.cpp注册文件

七、系统使用方式

ExtractorConfig cfg;cfg.type="ORB";cfg.max_features=1500;autoextractor=FeatureExtractorFactory::instance().create(cfg);autofeatures=extractor->extract(image);

此处 Frontend 完全不知道 ORB 的存在

八、为什么这是“真实 SLAM 工厂实现”

1. 满足真实工程需求

• 算法频繁切换
• 配置驱动
• 生命周期清晰
• 可测试、可扩展

2. 与 SLAM 实际复杂度匹配

• 不引入 DI 框架
• 不过度模板化
• 不牺牲可读性

3. 易于扩展为插件系统

libslam_core.so liborb_extractor.so libsuperpoint_extractor.so

每个插件在加载时完成注册。

九、常见坑（真实踩坑总结）

1. 静态初始化顺序问题

问题： 注册对象在工厂之前初始化
方案： 使用instance()的局部静态

2. 工厂里塞逻辑

问题： 工厂决定参数
方案： 参数由 Config 决定

3. 返回裸指针

问题： 生命周期不明确
方案：std::unique_ptr

十、总结

在真实 SLAM 系统中，
工厂不是“设计模式练习”，
而是“算法可演化性的基础设施”。