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【C/C++】插件机制：基于工厂函数的动态插件加载

news 来源：原创 2025/4/24 12:26:17

本文介绍了如何通过 C++ 的 工厂函数、动态库（.so 文件）和 dlopen / dlsym 实现插件机制。这个机制允许程序在运行时动态加载和调用插件，而无需在编译时知道插件的具体类型。

一、动态插件机制

在现代 C++ 中，插件机制广泛应用于需要扩展或灵活配置的场景，如：

策略模式：根据需求动态选择不同策略。
插件化系统：如游戏引擎、服务器系统等，通过动态加载不同功能模块。

通过使用 动态库（.so 文件）和 工厂函数，可以实现插件的动态创建和管理。

二、插件机制核心流程

1. 创建插件接口（基类）

定义一个基类 PluginBase，所有插件都继承自它，实现自己的功能。

// plugin.hpp
class PluginBase {
public:virtual void run() = 0;  // 纯虚函数virtual ~PluginBase() {}
};

2. 实现具体插件

每个插件类实现 PluginBase 接口，并提供自己的功能。

#include "plugin.hpp"class PluginA : public PluginBase {
public:void run() override {std::cout << "PluginA is running!" << std::endl;}
};// 工厂函数
extern "C" PluginBase* create_plugin_0() {return new PluginA();
}

编译命令：

g++ -fPIC -shared plugin_0.cpp plugin_1.cpp -o libplugin.so

将plugin_*.cpp编译为动态库：libplugin.so

3. 主程序加载插件

主程序通过 dlopen 加载动态库，通过 dlsym 查找工厂函数，调用工厂函数创建插件对象，并执行其方法。

// main.cpp
#include <iostream>
#include <dlfcn.h>
#include "plugin.hpp"int main() {void* handle = dlopen("./libplugin.so", RTLD_LAZY);  // 打开动态库if (!handle) {std::cerr << "❌ Failed to open plugin: " << dlerror() << std::endl;return -1;}typedef PluginBase* (*CreateFunc)();  // 定义工厂函数指针类型// 查找两个插件的工厂函数CreateFunc create_plugin_0 = (CreateFunc)dlsym(handle, "create_plugin_0");if (!create_plugin_0) {std::cerr << "❌ Failed to find symbol: " << dlerror() << std::endl;dlclose(handle);return -1;}CreateFunc create_plugin_1 = (CreateFunc)dlsym(handle, "create_plugin_1");if (!create_plugin_1) {std::cerr << "❌ Failed to find symbol: " << dlerror() << std::endl;dlclose(handle);return -1;}// 调用工厂函数创建插件对象PluginBase* plugin_0 = create_plugin_0();plugin_0->run();  // 执行插件功能PluginBase* plugin_1 = create_plugin_1();plugin_1->run();  // 执行插件功能// 释放资源delete plugin_0;delete plugin_1;dlclose(handle);  // 关闭动态库return 0;
}

编译命令：

g++ main.cpp -o main -ldl

链接libdl.so动态库，dlopen、dlsym 这类函数属于 Linux 系统的动态链接库（libdl）

三、核心概念解析

1. `typedef` 和函数指针

通过 typedef 为函数指针起别名，使得函数指针的声明更加简洁易读。

typedef PluginBase* (*CreateFunc)();

CreateFunc 现在是指向无参、返回 PluginBase* 的函数指针类型。
它允许我们用简单的名字表示工厂函数类型。

2. `dlopen` 和 `dlsym`

dlopen：打开动态库并返回一个句柄，程序可以通过该句柄加载库中的函数。
dlsym：根据符号名称在动态库中查找对应的函数地址。

这些函数属于 POSIX 标准，提供了 运行时加载和调用动态库的能力。

3. 工厂函数

工厂函数是动态库中暴露给主程序的接口，负责创建插件对象实例。通过 extern "C" 来确保该函数不进行 C++ 名字修饰，从而避免不同编译器或链接时产生不同的符号名称。

extern "C" PluginBase* create_plugin_0() {return new PluginA();
}

5. `dlsym` 返回值和强制类型转换

CreateFunc create_plugin_0 = (CreateFunc)dlsym(handle, "create_plugin_0");

dlsym 返回 void* 类型，表示它是一个通用的指针。void* 是一个 不带类型信息的指针，它可以指向任何类型的对象或函数。
通过 强制转换 (CreateFunc)，将 void* 转换为我们预定义的 函数指针类型 CreateFunc。
这样，通过 create_plugin_0() 等工厂函数返回的插件对象指针，可以调用其定义的 run 等方法。

四、完整的工作流程

步骤	描述
1. 插件开发	定义基类接口 `PluginBase`，实现具体插件类，编写工厂函数。
2. 编译插件	使用 g++ 编译源文件为动态库 `.so` 文件。
3. 主程序	主程序使用 `dlopen` 加载动态库，`dlsym` 查找工厂函数，创建插件对象。
4. 执行功能	通过插件对象调用具体功能（如 `run()`）。
5. 释放资源	删除插件对象，关闭动态库。

五、完整demo

plugin.hpp

// plugin.hpp
#ifndef PLUGIN_HPP
#define PLUGIN_HPPclass PluginBase {
public:virtual void run() = 0;virtual ~PluginBase() {}
};#endif

plugin_0.cpp

// plugin.cpp
#include <iostream>
#include "plugin.hpp"// 派生类
class MyPlugin_0 : public PluginBase {
public:void run() override {std::cout << "🚀 MyPlugin_0 is running!" << std::endl;}
};// 工厂函数，必须用 C 接口导出，防止 C++ 名字修饰
extern "C" PluginBase* create_plugin_0() {return new MyPlugin_0();
}

plugin_1.cpp

// plugin_1.cpp
#include <iostream>
#include "plugin.hpp"// 派生类
class MyPlugin_1 : public PluginBase {
public:void run() override {std::cout << "🚀 MyPlugin_1 is running!" << std::endl;}
};// 工厂函数，必须用 C 接口导出，防止 C++ 名字修饰
extern "C" PluginBase* create_plugin_1() {return new MyPlugin_1();
}

main.cpp

// main.cpp
#include <iostream>
#include <dlfcn.h>
#include "plugin.hpp"int main() {// 1. 打开动态库void* handle = dlopen("./libplugin.so", RTLD_LAZY);if (!handle) {std::cerr << "❌ Failed to open plugin: " << dlerror() << std::endl;return -1;}// 2. 查找工厂函数，先拿到目标函数指针，再基于这个指针创建对象。typedef PluginBase* (*CreateFunc)();  /*  函数指针语法结构：返回类型 (*指针名)(参数列表);typedef 原类型 新类型名;CreateFunc定义了一个指向“PluginBase* (*CreateFunc)()”此类函数的函数指针的别名*/CreateFunc create_plugin_0 = (CreateFunc)dlsym(handle, "create_plugin_0");// dlsym(handle, "create_plugin_0")返回的是一个 void* 也就是一个空句柄，将这个句柄强制转换为CreateFunc// create_plugin_0即为目标函数（工厂函数）句柄，通过create_plugin_0()即可完成调用。if (!create_plugin_0) {std::cerr << "❌ Failed to find symbol: " << dlerror() << std::endl;dlclose(handle);return -1;}CreateFunc create_plugin_1 = (CreateFunc)dlsym(handle, "create_plugin_1");if (!create_plugin_1) {std::cerr << "❌ Failed to find symbol: " << dlerror() << std::endl;dlclose(handle);return -1;}// 3. 创建插件对象并调用PluginBase* plugin_0 = create_plugin_0(); // 将函数指针PluginBase*指向具体的create_plugin_0()plugin_0->run();PluginBase* plugin_1 = create_plugin_1();plugin_1->run();// 4. 释放资源delete plugin_0;delete plugin_1;dlclose(handle);return 0;
}

build.sh

g++ -fPIC -shared plugin_0.cpp plugin_1.cpp -o libplugin.so # 将plugin_*.cpp编译为动态库：libplugin.so 
g++ main.cpp -o main -ldl # 链接libdl.so动态库，dlopen、dlsym 这类函数属于 Linux 系统的动态链接库（libdl）
echo "Build complete!"# 执行：
# 赋予脚本文件执行权限：chmod +x build.sh 
# 执行编译脚本./build.sh 
# 运行 ./main