Compile Time Dependency Injection в С++: как обуздать зависимости не прибегая к позднему связыванию

Начав свою карьеру в качестве C# разработчика, я постоянно сталкивался с использованием техники внедрения зависимостей (Dependency Injection). За то время, что я работаю с C++, я не заметил здесь такого же широкого распространения этой идеи.

В то же время мне показалась весьма интересной такая возможность C++, как написание кода, который частично либо полностью может быть выполнен на этапе компиляции.

Объединив две эти идеи, у меня получилась простая библиотека для внедрения зависимостей, которая обходится средствами статического полиморфизма, не прибегая к позднему связыванию. О ней и пойдёт речь в этой статье. На её примере разберёмся с тем, как работает внедрение зависимостей и какие каждодневные проблемы оно решает.

Зачем внедрять зависимости?

Пожалуй каждый, кто работал с большими системами, хоть раз сталкивался с похожей ситуацией: внутри класса A создаётся объект класса B, который в свою очередь создаёт объект класса C.

class C {
    ...  
};

class B {
    C Dependency_;
    ...
};

class A {
    B Dependency_;
    ...
};

Написать тесты на класс A, не учитывая поведение классов B и C не получится. Как не получится безболезненно добавить конструктор с параметрами в класс C, ведь по цепочке эти параметры придётся добавить в конструкторы классов B и A.

Можно сказать, что система, состоящая из классов A, B и C обладает сильной связностью, поскольку изменение в одном из этих типов или замена его на другой приведёт к изменению кода в других частях системы.

Со временем программы обладающие сильной связностью становится трудно поддерживать и расширять; уменьшается частота релизов, увеличиваются количество багов и расходов на ручное тестирование.

Техника внедрения зависимостей (Dependency Injection) помогает решить эти проблемы через уменьшение связности кода и избавление от необходимости ручного управления зависимостями.

Как работает внедрение зависимостей

Внедрение зависимостей обычно требует использования специальной библиотеки (хотя в этом случае правильнее было бы сказать фреймворка, поскольку пользовательский код напрямую почти не использует компоненты библиотеки, а как бы встраивается в неё). Единственной точкой взаимодействия пользовательского кода с библиотекой является специальный класс - контейнер зависимостей (DI Container).

Можно сказать, что контейнер зависимостей - это фабрика объектов на стероидах, так как кроме создания самих объектов он умеет рекурсивно обходить и создавать все требующиеся этим объектам зависимости и управлять их временем жизни.

Особую прелесть технике внедрения зависимостей придаёт тот факт, что она поощряет программиста к созданию слабо связных, легко тестируемых и взаимозаменяемых типов. Это обусловлено тем, что для использования контейнера зависимостей пользовательские типы должны удовлетворять двум условиям:

1. Все зависимости пользовательских типов представлены абстракциями: базовыми абстрактными классами либо шаблонными параметрами.

2. Пользовательские типы сами не создают свои зависимости - они получают их через специальные методы-сеттеры либо через конструктор.

Вот как с учётом этих условий должны были бы выглядеть классы A, B и С, о которых мы говорили в самом начале:

template <typename T>
struct A {
    T Dependency_;

    explicit A(T dependency) : Dependency_(dependency) {
    }
};

template <typename T>
struct B {
    T Dependency_;

    explicit B(T dependency) : Dependency_(dependency) {
    }
};

struct C {
    ...
};

Добавим контекст, чтобы понять от каких типов зависят A и B:

auto c = C();
auto b = B(c);
auto a = A(b);

Для того, чтобы создать объект типа A, нам потребовалось предварительно создать объекты b и c. Давайте взглянем, как изменился бы этот код, если бы мы использовали контейнер зависимостей:

auto a = container.Resolve<A<>>();

Как видите, мы не указываем явно, что создаваемый объект параметризован типом B. Это значит, что если мы решим заменить тип B на B*, нам не придётся долго выискивать все места в коде, где создаются объекты типа A.

Однако как контейнер узнаёт, объект какого типа нужно передать в конструктор типа A? Это знание настраивается специальным кодом либо конфигом в зависимости от библиотеки, которую вы используете. Кроме этого, конфиг обычно содержит описание времени жизни тех или иных объектов, но об этом поговорим чуть позже.

Пример выше слегка спекулятивный - он упускает некоторые детали, без которых контейнер зависимостей работать не будет. Однако это упрощение, на которое я иду намеренно, чтобы создать у вас общее понимание того, что из себя представляет внедрение зависимостей.

О том, как использовать эту технику в реальной жизни мы поговорим с вами прямо сейчас.

Шаг 1. Инвертируйте зависимости ваших типов

Первым делом нужно убедиться, что пользовательские типы в вашей системе обладают низкой связностью и удовлетворяют необходимым условиям.

Класс UnitOfWork представляет из себя обёртку над таблицами или коллекциями в базах данных, хранящих информацию о сотрудниках и департаментах. Каждая такая коллекция представлена репозиторием (Repository). UnitOfWork скрывает разрозненность данных за простым интерфейсом, позволяя работать с ними так, будто они все хранятся в одном месте.

template <
    typename TEmployeeRepository   = RepositoryDescriptor<Employee>,
    typename TDepartmentRepository = RepositoryDescriptor<Department>>
class UnitOfWork {
private:
    TEmployeeRepository* EmployeeRepository_;
    TDepartmentRepository* DepartmentRepository_;

public:
    // constructor
    UnitOfWork(
        TEmployeeRepository* employeeRepository,    // injected dependency #1
        TDepartmentRepository* departmentRepository // injected dependency #2
    )
        : EmployeeRepository_(employeeRepository)
        , DepartmentRepository_(epartmentRepository) {
    }

    void CrateEmployee(const std::string& employeeName, int departmentId)
    {
        // create employee record
        auto employeeId = EmployeeRepository_->Create({
            .Name = employeeName
        });

        // add employee to department
        auto department = DepartmentRepository_->Load(departmentId);
        department.Add(employeeId);

        // save updated department record
        DepartmentRepository_->Update(department);
    }
    
    ...
};

UnitOfWork удовлетворяет двум условиям, о которых мы говорили выше:

• он ничего не знает о том, с какими реализациями репозиториев работает, поскольку они скрываются за шаблонными аргументами TEmployeeRepository и TDepartmentRepository.

• сущности репозиториев создаются и получаются из вне через конструктор.

Шаг 2. Зарегистрируйте зависимости

Возможно, вы обратили внимание на значения по умолчанию у шаблонных параметров:

template <
    typename TEmployeeRepository   = RepositoryDescriptor<Employee>,
    typename TDepartmentRepository = RepositoryDescriptor<Department>>

Эти типы есть не что иное как ключи (дескрипторы), которым соответствуют настоящие типы зависимостей, которые должна быть подставлены вместо них.

То, какая реализация должна быть использована вместо того или иного дескриптора описывается Binding-ами:

template <typename T>
struct RepositoryDescriptor {};

struct UnitOfWorkDescriptor {};

// RepositoryDescriptor<Employee>
template <>
struct Binding<RepositoryDescriptor<Employee>> {
    using TService = MongoDBRepository<Employee>;
    using TLifetime = Singleton;
};

// RepositoryDescriptor<Department>
template <>
struct Binding<RepositoryDescriptor<Department>> {
    using TService = PostgreSQLRepository<Department>;
    using TLifetime = Singleton;
};

// UnitOfWorkDescriptor
template <>
struct Binding<UnitOfWorkDescriptor> {
    using TService = UnitOfWork<>;
    using TLifetime = Singleton;
};

Код выше декларирует, что везде, где встречается тип RepositoryDescriptor<Employee>, вместо него должен быть подставлен тип MongoDBRepository<Employee>, а вместо RepositoryDescriptor<Department> - тип PostgreSQLRepository<Department>. Следовательно, везде, где встретится UnitOfWorkDescriptor, должен использоваться тип UnitOfWork<>, или точнее UnitOfWork<MongoDBRepository<Employee>, PostgreSQLRepository<Department>>.

template <typename TDescriptor>
struct Binding {
    using TService = TDescriptor;
    using TLifetime = Transient;
};

Binding<RepositoryDescriptor<Employee>>::TService;   // MongoDBRepository<Employee>
Binding<RepositoryDescriptor<Department>>::TService; // PostgreSQLRepository<Department>

Binding<MongoDBRepository<Employee>>::TService;   // MongoDBRepository<Employee>
Binding<int>::TService;                           // int

Зачем такие сложности? Почему было не написать прямо в коде класса UnitOfWork, какие реализации ему стоит использовать?

template <
    typename TEmployeeRepository   = MongoDBRepository<Employee>,      // BAD!!!
    typename TDepartmentRepository = PostgreSQLRepository<Department>> // BAD!!!

Причина та же, по которой мы объявляем константы в коде. Если однажды мы решим мигрировать данные о департаментах из PostgreSQL в MongoDB, то нам придётся вносить соответствующее изменение во всех местах программы, где используется репозиторий департаментов, а так у нас такое место в программе лишь одно и переезд на новую базу потребует изменения лишь одной строчки кода:

template <>
struct Binding<RepositoryDescriptor<Department>> {
  - using TService = PostgreSQLRepository<Department>; // before
  + using TService = MongoDBRepository<Department>;    // after
    using TLifetime = Singleton;
};

Шаг 3. Задайте время жизни

Вероятно, уже заметили строчку using TLifetime =... внутри Binding-ов.

Это весьма интересная возможность, которую предоставляет контейнер зависимостей. Она заключается в том, что вы можете сами выбирать, объекты каких типов должны создаваться заново при каждом обращении к контейнеру (Transient); какие должны жить столько же, сколько породивший их контейнер и переиспользоваться в качестве зависимостей при создании других объектов внутри этого же контейнера (Scoped); а какие создадутся лишь однажды и будут уничтожены только при завершении программы (Singleton).

Шаг 4. Создайте контейнер

Прежде, чем начать пользоваться контейнером, в нём нужно зарегистрировать зависимости ваших типов. Регистрации представляет из себя перечисления всех типов, создание которых может быть запрошено у контейнера напрямую или косвенно при инициализации зависимостей этих объектов:

Container<
    RepositoryDescriptor<Employee>,
    RepositoryDescriptor<Department>,
    UnitOfWorkDescriptor
> container;

UnitOfWork<> unitOfWork = container.Resolve<UnitOfWorkDescriptor>();

Если реальному типу соответствует дескриптор, то при регистрации зависимостей в контейнере указывается именно дескриптор, а не реальный тип.

Шаг 5. Начните пользоваться

Давайте создадим парочку сервисов, используя наш контейнер:

std::cout << "Create container...\n";

TContainer container;

std::cout << "Create unitOfWork1...\n";

auto* unitOfWork1 = container.Resolve<UnitOfWorkDescriptor>();
unitOfWork1->CrateEmployee("Bob", /* departmentId: */ 1);

std::cout << "Create unitOfWork2...\n";

auto* unitOfWork2 = container.Resolve<UnitOfWorkDescriptor>();
unitOfWork1->CrateEmployee("Alice", /* departmentId: */ 2);

std::cout << "End\n";

UnitOfWork был зарегистрирован с временем жизни Scoped, поэтому контейнер создаст его сущность лишь один раз и в обоих случаях вернёт один и тот же указатель на неё.

> Create container...
> Container: Ctor
> Create unitOfWork1...
> MongoDBRepository<Employee>: Ctor
> PostgreSQLRepository<Department>: Ctor
> UnitOfWork<MongoDBRepository<Employee>, PostgreSQLRepository<Department>>: Ctor
> Create unitOfWork2..
> End

Репозитории были зарегистрированы с временем жизни Singleton. Это значит, что даже если обернуть весь код из листинга выше в цикл, то репозитории всё-равно будут созданы не более одного раза.

> ############################ Iteration 1 #######################################
> Create container...
> Container: Ctor
> Create unitOfWork1...
> MongoDBRepository<Employee>: Ctor
> PostgreSQLRepository<Department>: Ctor
> UnitOfWork<MongoDBRepository<Employee>, PostgreSQLRepository<Department>>: Ctor
> Create unitOfWork2..
> End

> ############################ Iteration 2 #######################################
> Create container...
> Container: Ctor
> Create unitOfWork1...
> UnitOfWork<MongoDBRepository<Employee>, PostgreSQLRepository<Department>>: Ctor
> Create unitOfWork2..
> End

> ############################ Iteration 3 #######################################
> Create container...
> Container: Ctor
> Create unitOfWork1...
> UnitOfWork<MongoDBRepository<Employee>, PostgreSQLRepository<Department>>: Ctor
> Create unitOfWork2..
> End

Отлично, мы увидели, как работает внедрение зависимостей. Самое время разобраться за счёт чего оно работает. Для этого заглянем под капот контейнера зависимостей, который использовался в примерах выше.

Фабрика объектов

Одной из основных функции контейнера зависимостей является создание объектов, запрашиваемого типа, что подходит под определение фабрики. С неё и начнём.

Типы без зависимостей

Простейшая фабрика для создания объектов, имеющих конструктор без параметров, выглядит так:

template <typename TService>
struct ServiceFactory {
    static TService Create() {
        return TService();
    }
};

template <typename TService>
struct ServiceFactory {
    static constexpr TService Create() {
        static_assert(std::is_default_constructible_v<TService> /* , пояснение ошибки */);
        return {};
    }
};

Используя такую фабрику, можно создать объект любого типа, имеющего конструктор без параметров:

Employee employee = ServiceFactory<Employee>::Create();

Типы с зависимостями

Для типов, имеющих зависимости, например UnitOfWork реализация фабрики станет немного сложнее, но не пугайтесь, ниже мы разберём её по винтикам:

template <template<typename ...> class TService, typename... TTemplateArgs>
struct ServiceFactory<TService<TTemplateArgs...>> {
    static auto Create(auto& container) {
        using TRealType = ReplaceDescriptors<TService<TTemplateArgs...>>::TResult;

        if constexpr (std::is_constructible_v<TRealType, decltype(container.template Resolve<TTemplateArgs>())...>) {
            return TRealType(container.template Resolve<TTemplateArgs>()...);
        } else {
            return TRealType();
        }
    }
};

template<template>

Благодаря объявлению этой фабрики как шаблон шаблонов (template <template>), она будет вызвана для всех типов TService, которые являются шаблонами. Для всех остальных будет вызвана первая версия фабрика для типов без зависимостей. При этом компилятор сможет вычислить шаблонные аргументы такого типа и поместить их в TTemplateArgs.....

В случае вызова такой фабрики для UnitOfWork<>, значение TService окажется равно типу UnitOfWork<>, а TTemplateArgs... будут содержать в себе RepositoryDescriptor<Employee> и RepositoryDescriptor<Department> в соответствии со значениями по умолчанию шаблонных аргументов класса UnitOfWork<>:

template <
    typename TEmployeeRepository   = RepositoryDescriptor<Employee>,
    typename TDepartmentRepository = RepositoryDescriptor<Department>>
class UnitOfWork {

Получение реального типа создаваемого объекта

Первой строчкой кода в фабрике идёт вычисление реального типа создаваемого объекта:

using TRealType = ReplaceDescriptors<TService<TTemplateArgs...>>::TResult;

Дело в том, что тип объекта, созданного фабрикой, может отличаться от того типа, с которым фабрика была вызвана (TService<TTemplateArgs...>). Это происходит в том случае, если среди шаблонных параметров содержатся типы-дескрипторы, которые заменяются на соответствующие им реальные типы.

В случает UnitOfWork<> значение типа TService<TTemplateArgs...> будет равно:

 UnitOfWork<RepositoryDescriptor<Employee>, RepositoryDescriptor<Department>>

Однако, в соответствии с кодом регистрации зависимостей, будет создан объект типа:

 UnitOfWork<MongoDBRepository<Employee>, PostgreSQLRepository<Department>>

При этом, стоит учитывать, что шаблонные аргументы могут также быть шаблонами и иметь свои вложенные дескрипторы. Утилита ReplaceDescriptors позволяет рекурсивно обойти все шаблонные аргументы и, если они являются дескрипторами, заменить их на соответствующие им реальные типы.

template <typename TDescriptor>
struct ReplaceDescriptors {
    using TResult = TDescriptor;
};

template <template <typename ...> class T, typename ...TDescriptors>
struct ReplaceDescriptors<T<TDescriptors...>> {
    using TResult = T<
        typename ReplaceDescriptors<typename Binding<TDescriptors>::TService>::TResult...
    >;
};

Давайте разберёмся, как ReplaceDescriptors работает для UnitOfWork<>:

1. Тип UnitOfWork<> шаблонный, поэтому мы попадаем во вторую спецификацию шаблона ReplaceDescriptors. В качестве T будет UnitOfWork, а в качестве TDescriptors... - RepositoryDescriptor<Employee> и RepositoryDescriptor<Department>.

2. T, то есть UnitOfWork<>, остаётся без изменений, а вот для каждого из шаблонных аргументов происходит вычисление его реального типа через
   typename Binding<TArgs>::TService.
   Если тип на самом деле является дескриптором, то мы получим соответствующий ему реальный тип: RepositoryDescriptor<Employee> станет MongoDBRepository<Employee>.
   Если же он не является дескриптором (например, Employee), то мы получим этот же тип без изменений.

3. Для каждого реального типа, полученного на шаге 2, рекурсивно вызывается ReplaceDescriptors.
   Если тип является шаблоном, то мы попадаем на шаг 1 и рекурсия продолжается.
   Если же тип шаблоном не является, то попадаем в первую спецификацию утилиты ReplaceDescriptors и рекурсия на этом заканчивается.

На изображении выше зелёным отмечены реальные типы, которые не требуют замены. Красным же отмечены типы, которые потенциально могут оказаться дескрипторами и в этом случае их нужно заменить. Рекурсия продолжается до тех пор, пока не доходит до реальных нешаблонных типов Employee и Department.

Инициализация зависимостей

Зависимости внедряются в объект через его конструктор. Мы уже умеем вычислять реальный тип создаваемого объекта (TRealType). Самое время научиться получать аргументы для конструктора.

В силу того, что в нашем арсенале отсутствует такой механизм как отражение (reflection), нам придётся пойти на одну уловку. Сделаем допущение: если тип имеет конструктор с параметрами, то список этих параметров по структуре совпадает со списком шаблонных аргументов.

Иначе говоря, если тип Foo зависит от типов A, B, и С, то описание его шаблонных аргументов и конструктора выглядит следующим образом:

template <typename A, typename B, typename C>
struct Foo {
    Foo(A a, B b, C c); // constructor
};

Значения типов A, B и C содержатся в шаблонном аргументе TTemplateArgs... нашей фабрики. Вызов контейнера зависимостей для каждого типа из TTEmplateArgs... позволит создать объекты типов A, B и C, которые и являются аргументами конструктора класса Foo.

return TRealType(container.template Resolve<TTemplateArgs>()...);

Почему вызываем контейнер, а не фабрику? Контейнер внутри себя использует фабрику, однако если какой-нибудь из типов A, B, C окажется дескриптором, контейнер предварительно заменит его на соответствующий тому реальный тип. Кроме того, контейнер хранит в себе пул Scoped и Singleton объектов, что позволяет переиспользовать ранее созданные объекты.

Получается, что контейнер просит фабрику создать объект некоторого конкретного типа. Фабрика извлекает зависимости этого типа в виде дескрипторов и идёт с ними обратно в контейнер. Контейнер, получив дескрипторы, определяет соответствующие им реальные типы и просит фабрику создать объекты уже этих типов. Созданные объекты контейнер отдаст вызвавшее его фабрике. Этот рекурсивный пинг-понг продолжается до тех пор, пока не будет построено всё дерево зависимостей.

Примерно так выглядел бы вызов конструктора UnitOfWork<>:

return UnitOfWork<MongoDBRepository<Employee>, PostgreSQLRepository<Department>>(
    container.Resolve<RepositoryDescriptor<Employee>>(),
    container.Resolve<RepositoryDescriptor<Department>>());

Как быть с шаблонами, у которых нет зависимостей?

Однако возможности автоматического вычисления аргументов конструктора из шаблонных параметров не достаточно для удобной работы с контейнером.

Что будет, если попросить фабрику создать объект типа std::vector<std::string>? Это шаблон, значит будет вызвана фабрика для типов с зависимостями. Но ведь вектор не имеет конструктора, принимающего строку. А даже, если и имел, то вызовы конструкторов std::vector<std::string>()и std::vector<std::string>("") явно давали бы разный результат.

Именно поэтому, прежде чем вызывать конструктор с параметрами, необходимо убедиться, что такой конструктор вообще существует. Для этого используется условная конструкция:

if constexpr (std::is_constructible_v<
                  TRealType,
                  decltype(container.template Resolve<TTemplateArgs>())...
              >) {

std::is_constructible_v<T, ...TArgs> - это проверка времени компиляции, позволяющая определить, можно ли создать объект типа T из аргументов типа TArgs....

Здесь мы проверяем, что объект типа TRealType может быть сконструирован из значений, полученных при разрешении зависимостей контейнером. Если условие не выполняется, нам не остаётся ничего другого, кроме как вызвать конструктор без параметров:

} else {
    return TRealType();
}

Фабрики для нетривиальных типов

Две спецификации фабрики, представленные выше, покрывают абсолютное большинство пользовательских типов. Однако, время от времени некоторые типы всё-равно выбиваются из общей картины мира и для них приходится заводить свои отдельные фабрики.

Сделать это совсем не сложно. Для этого достаточно объявить спецификацию шаблона фабрики для нужного типа.

template<>
struct ServiceFactory<LoggerDescriptor> {
    static auto Create(auto&) {
        return Logger("[%s] %s %s\n"); // Logger with custom format
    }
};

Кроме того, из спецификации фабрики для отдельного типа остаётся возможность обращения к контейнеру:

template<typename T>
struct ServiceFactory<MongoDBRepository<T>> {
    static auto Create(auto& container) {
        return MongoDBRepository<T>(container.template Resolve<MongoDBSettings>());
    }
};

Время жизни

В библиотеке DependencyInjection на платформе .Net используется 3 типа времени жизни объекта:

1. Transient - при каждом обращении за таким объектом, контейнер будет создавать новый объект. Используется редко, в основном в ситуациях, когда по каким-либо причинам вам не хотелось бы явно создавать объект через явный вызов конструктора (например, объект создаётся во многих местах программы и имеет нетривиальный набор аргументов конструктора).

2. Singleton - один и тот же объект используется при каждом обращении. Объект создаётся при первом обращении. Используется когда тип не имеет состояния (stateless), либо состояние должно быть доступно на всём протяжении жизни программы, а его пересоздание нежелательно - например, соединение с базой данных.

3. Scoped - то же самое, что Singleton, только уникальность и время жизни объекта ограничены областью видимости, внутри которой он создан. Например, это может быть локальный кэш, ограниченный временем жизни одного HTTP-запроса.

По моему опыту такого набора оказывается достаточно в 99.99% случаев, во всех остальных случаях имеют место быть ошибки в проектировании системы, исправив которые можно обойтись этими тремя типами.

Тем не менее в нашей библиотеке мы опишем этот механизм таким образом, чтобы при желании добавить свой тип времени жизни или области видимости объекта (например, ThreadLocal), не составило бы большого труда.

Объявим наши типы времени жизни объектов:

struct Singleton {};

struct Scoped {};

struct Transient {};

Следуя принципу наименьшего удивления, в базовом Binding-е по умолчанию устанавливаем время жизни Transient:

template <typename TDescriptor>
struct Binding {
    using TLifetime = Transient;
    using TService = TDescriptor;
};

Согласитесь, вы были бы удивлены, если бы оказалось, что объект, для которого вы явно не "продлевали" время жизни, жил бы до самого завершения программы и использовался разными её частями, как это происходит в случае Singleton-а.

Сами по себе типы времени жизни ничего не делают - это просто теги. Для каждого из них нужно создать свой LifetimeManager, который будет управлять временем жизни подопечного объекта.

template <typename TDescriptor, typename TLifetime = typename Binding<TDescriptor>::TLifetime>
struct LifetimeManager;

Transient

Здесь всё достаточно просто: на каждый новый вызов мы просто создаём новый объект, используя фабрику:

template <typename TDescriptor>
struct LifetimeManager<TDescriptor, Transient> {
    using TService = Binding<TDescriptor>::TService;

    auto GetOrCreate(auto& container) {
        return ServiceFactory<TService>::Create(container);
    }
};

Фабрика в качестве шаблонного аргумента принимает дескриптор, а не реальный тип, поэтому нам предварительно нужно его получить, используя Binding.

Singleton

template <typename TDescriptor>
struct LifetimeManager<TDescriptor, Singleton> {
    using TService = Binding<TDescriptor>::TService;

    auto GetOrCreate(auto& container) {
        static auto instance = ServiceFactory<TService>::Create(container);
        return std::addressof(instance);
    }
};

Здесь у нас реализация простейшего синглтона. Важно заметить вот что: в отличие от Transient, где мы просто возвращали созданный объект, здесь мы возвращаем указатель на объект, то есть сохраняем владение объектом. Это необходимо, чтобы объект продолжал существовать в единственном экземпляре.

Ещё один интересный момент - это функция std::addressof. Не забывайте, что мы пишем библиотеку, а значит должны держать в уме всё обилие техник и средств, которое нам предоставляет C++. Одной из них является переопределение оператора &. std::addressof защищает нас от этого (благодарю стажёра и в последствие коллегу, который мне об этом рассказал).

Scope

template <typename TDescriptor>
struct LifetimeManager<TDescriptor, Scoped> {
    using TService = Binding<TDescriptor>::TService;
    using TRealType = ReplaceDescriptors<TService>::TResult;

    auto GetOrCreate(auto& container) {
        if (!Instance_.has_value()) [[unlikely]] {
            Instance_ = ServiceFactory<TService>::Create(container);
        }

        return std::addressof(Instance_.value());
    }

private:
    std::optional<TRealType> Instance_;
};

Scoped похож на Singleton. Однако в отличие от Singleton-а время жизни объекта здесь ограничено временем жизни смого LifetimeManager-а, то есть его скоупом.

Созданный объект хранится как поле класса Instance_. Здесь у нас снова возникает проблема связанная с тем, что настоящий тип созданного фабрикой объекта (TRealType) может отличаться от того типа, с которым мы фабрику вызывали (TService). Это происходит в том случае, если TService является шаблоном (например, UnitOfWork<>) и среди его шаблонных параметров есть дескрипторы, которые в при создания объекта заменяются на соответствующие им реальные типы.

Для того, чтобы узнать нужный для хранения объекта объём памяти и правильно выровнять в памяти поле Instance_, нам нужно знать реальный тип объекта, который вернёт фабрика. Для этого можем снова воспользоваться утилитой ReplaceDescriptors.

using TRealType = ReplaceDescriptors<TService>::TResult;

Контейнер зависимостей

Последним кирпичиком, которого не хватало нашей библиотеке, является сам контейнер зависимостей:

template <typename ...TDescriptors>
class Container {
private:
    std::tuple<LifetimeManager<TDescriptors>...> ObjectPool_;

public:
    template <OneOf<TDescriptors...> TDescriptor>
    constexpr auto Resolve() {
        return std::get<LifetimeManager<TDescriptor>>(ObjectPool_)
            .GetOrCreate(*this);
    }

    template <typename TDescriptor>
    constexpr auto Resolve() {
        return std::nullopt;
    }
};

Контейнер хранит LifetimeManager-ы для всех дескрипторов, о которых ему известно. Используя LifetimeManager-ы он получает доступ к создаваемым фабрикой объектам, однако контроль за временем жизни объектов остаётся у LifetimeManager-ов.

При вызове LifetimeManager-ов контейнер передаёт в них ссылку на себя на случай, если создаваемый внутри объект будет иметь зависимости на другие объекты уже созданные этим контейнером.

template <typename TDescriptor, typename ...TDescriptors>
concept OneOf = (std::same_as<TDescriptor, TDescriptors> || ...);

if constexpr (std::is_constructible_v<
                  TRealType,
                  decltype(container.template Resolve<TTemplateArgs>())...
              >)

decltype(container.template Resolve<Employee>())...

Как объединить несколько контейнеров в один

Большие программы обычно можно разбить на несколько относительно независимых модулей. Наличие отдельного контейнера для каждого модуля позволяет уменьшить пересечения и merge-конфликты при параллельной разработке разной функциональности несколькими людьми или командами.

Рассмотрим пример условного сервиса по управлению сотрудниками компании, частью которой является уже известный вас класс UnitOfWork.

Можно выделить 3 относительно независимые части:

• инфраструктурные сервисы

• бизнес-логика

• сервисы для доступа к данным

Для каждого из них объявлен свой контейнер. Вместе они образуют один общий контейнер (TContainer):

// Infrastructure container
using TInfraContainer = class Container<
    Infra::ContainerAbstract::LoggerDescriptor,
    Infra::ContainerAbstract::PrinterDescriptor>;

// Data access layer container
using TDaoContainer = class Container<
    Dao::ContainerAbstract::RepositoryDescriptor<Employee>,
    Dao::ContainerAbstract::RepositoryDescriptor<Department>,
    Dao::ContainerAbstract::UnitOfWorkDescriptor>;

// Business logic container
using TServiceContainer = class Container<
    App::ContainerAbstract::DepartmentManagementServiceDescriptor,
    App::ContainerAbstract::EmployeeManagementServiceDescriptor,
    App::ContainerAbstract::ReportManagementServiceDescriptor>;

// Main container
using TContainer = class Container<
    TInfraContainer,
    TDaoContainer,
    TServiceContainer>;

Для реализации такого поведения необходима отдельная спецификация класса Container:

template <typename ...TContainerArs, typename ...TRest>
class Container<Container<TContainerArs...>, TRest...>
    : public Container<TRest..., TContainerArs...> {
};

Эта спецификация будет выбрана в том случае, если на первом месте в её шаблонных параметрах также находится контейнер. Шаблонные параметры этого под-контейнера (TContainerArs...) извлекаются и помещаются в конец общего списка шаблонных параметров. Обновлённый список шаблонных параметров используется для рекурсивного наследования, которое продолжается до тех пор, пока на первой позиции не окажется класс, не являющийся контейнером - например, дескриптор.

Давайте посмотрим, как эта работает на примере. На нижнем уровне в иерархии наследования находится класс

Container<
    TInfraContainer,
    TDaoContainer,
    TServiceContainer>

Первым его шаблонным параметром является контейнер. Из TInfraContainer извлекаются дескрипторы и помещаются в конец списка шаблонных параметров родительского класса:

Container<
    TDaoContainer,
    TServiceContainer,
    Infra::ContainerAbstract::LoggerDescriptor,   // TInfraContainer
    Infra::ContainerAbstract::PrinterDescriptor>  // TInfraContainer

Теперь на первой позиции оказался другой контейнер - TDaoContainer. Поэтому снова происходит распаковка уже этого контейнера с последующим наследованием:

Container<
    TServiceContainer,
    Infra::ContainerAbstract::LoggerDescriptor,                // TInfraContainer
    Infra::ContainerAbstract::PrinterDescriptor,               // TInfraContainer
    Dao::ContainerAbstract::RepositoryDescriptor<Employee>,    // TDaoContainer
    Dao::ContainerAbstract::RepositoryDescriptor<Department>,  // TDaoContainer
    Dao::ContainerAbstract::UnitOfWorkDescriptor>              // TDaoContainer

Наконец, остаётся последний контейнер TServiceContainer, после распаковки которого мы получаем список, полностью состоящий из дескрипторов, а значит попадаем в базовую спецификацию контейнера и на этом завершаем рекурсивное наследование:

Container<
    Infra::ContainerAbstract::LoggerDescriptor,                    // TInfraContainer
    Infra::ContainerAbstract::PrinterDescriptor,                   // TInfraContainer
    Dao::ContainerAbstract::RepositoryDescriptor<Employee>,        // TDaoContainer
    Dao::ContainerAbstract::RepositoryDescriptor<Department>,      // TDaoContainer
    Dao::ContainerAbstract::UnitOfWorkDescriptor,                  // TDaoContainer
    App::ContainerAbstract::DepartmentManagementServiceDescriptor, // TServiceContainer
    App::ContainerAbstract::EmployeeManagementServiceDescriptor,   // TServiceContainer
    App::ContainerAbstract::ReportManagementServiceDescriptor>     // TServiceContainer

У такого способа компоновки есть изъян. Если один или несколько дескрипторов будут предшествовать контейнерам, то следующие за ними контейнеры не будут распакованы:

using TContainer = class Container<
    TInfraContainer,                                           // Container
    Dao::ContainerAbstract::RepositoryDescriptor<Employee>,    // Descriptor
    Dao::ContainerAbstract::RepositoryDescriptor<Department>,  // Descriptor
    Dao::ContainerAbstract::UnitOfWorkDescriptor,              // Descriptor
    TServiceContainer>;                                        // Container

Поскольку Dao::ContainerAbstract::RepositoryDescriptor не является контейнером, цепочка наследований завершится в состоянии:

using TContainer = class Container<
    Dao::ContainerAbstract::RepositoryDescriptor<Employee>,    // Descriptor
    Dao::ContainerAbstract::RepositoryDescriptor<Department>,  // Descriptor
    Dao::ContainerAbstract::UnitOfWorkDescriptor,              // Descriptor
    TServiceContainer,                                         // !!! Container  !!!
    Infra::ContainerAbstract::LoggerDescriptor,                // Descriptor
    Infra::ContainerAbstract::PrinterDescriptor>;              // Descriptor

Однако решить эту проблему при желании можно, но статья уже и так получилось достаточно длинной, поэтому на этом остановимся.

Итог

Мы познакомились с концепцией внедрения зависимостей и посмотрели как она реализуется на практике. Приятным сайд-эффектом использования техники внедрения зависимостей является то, что вы сами того не замечая берёте себе в привычку написание слабо связного кода. Такой код куда проще тестировать, переиспользовать и расширять по сравнению с кодом, обладающим сильной связностью.

Кроме того мы разобрались в том, как работает простейшая библиотека для внедрения зависимостей. Код библиотеки доступен в репозитории на Github и под спойлерами ниже:

template <typename TDescriptor, typename... TDescriptors>
concept OneOf = (std::same_as<TDescriptor, TDescriptors> || ...);

template <typename ...TDescriptors>
class Container;

template <typename ...TDescriptors>
class Container {
private:
    std::tuple<LifetimeManager<TDescriptors>...> ObjectPool_;

public:
    template <OneOf<TDescriptors...> TDescriptor>
    constexpr auto Resolve() {
        return std::get<LifetimeManager<TDescriptor>>(ObjectPool_)
            .GetOrCreate(*this);
    }

    template <typename TDescriptor>
    constexpr auto Resolve() {
        return std::nullopt;
    }
};

template <typename ...TContainerArs, typename ...TRest>
class Container<Container<TContainerArs...>, TRest...>
    : public Container<TRest..., TContainerArs...> {
};

template <typename TDescriptor, typename... TDescriptors>
concept OneOf = (std::same_as<TDescriptor, TDescriptors> || ...);

struct Transient {};

struct Singleton {};

struct Scoped {};

template <
    typename TDescriptor,
    typename TLifetime = typename Binding<TDescriptor>::TLifetime>
struct LifetimeManager;

template <typename TDescriptor>
struct LifetimeManager<TDescriptor, Transient> {
    using TService = Binding<TDescriptor>::TService;

    auto GetOrCreate(auto& container) {
        return ServiceFactory<TService>::Create(container);
    }
};

template <typename TDescriptor>
struct LifetimeManager<TDescriptor, Singleton> {
    using TService = Binding<TDescriptor>::TService;

    auto GetOrCreate(auto& container) {
        static auto instance = ServiceFactory<TService>::Create(container);
        return std::addressof(instance);
    }
};

template <typename TDescriptor>
struct LifetimeManager<TDescriptor, Scoped> {
    using TService = Binding<TDescriptor>::TService;
    using TRealType = ReplaceDescriptors<TService>::TResult;

    auto GetOrCreate(auto& container) {
        if (!Instance_.has_value()) [[unlikely]] {
            Instance_ = ServiceFactory<TService>::Create(container);
        }

        return std::addressof(Instance_.value());
    }

private:
    std::optional<TRealType> Instance_;
};

template <typename TService>
struct ServiceFactory {
    static TService Create(auto&) {
        return TService();
    }
};

template <template<typename ...> class TService, typename... TTemplateArgs>
struct ServiceFactory<TService<TTemplateArgs...>> {
    static auto Create(auto& container) {
        using TRealType = ReplaceDescriptors<TService<TTemplateArgs...>>::TResult;

        if constexpr (std::is_constructible_v<TRealType, decltype(container.template Resolve<TTemplateArgs>())...>) {
            return TRealType(container.template Resolve<TTemplateArgs>()...);
        } else {
            return TRealType();
        }
    }
};

template <typename T>
struct ReplaceDescriptors {
    using TResult = T;
};

template <template <typename ...> class T, typename ...TArgs>
struct ReplaceDescriptors<T<TArgs...>> {
    using TResult = T<typename ReplaceDescriptors<typename Binding<TArgs>::TService>::TResult...>;
};

Несмотря на небольшой размер, библиотека получилась достаточно функциональной. В отличие от многих аналогов, она использует средства статического полиморфизма, а значит позволяет пользоваться всеми преимуществами раннего связывания. Для большинства проектов выигрыш от этого не стоит того, чтобы переезжать на новую библиотеку, если вы уже используете внедрение зависимостей на основе динамического полиморфизма. Тем не менее, в некоторых особенно чувствительных к времени исполнения кода областях, данная характеристика может оказаться очень важной.