在ROS的开发中，常常会接触到一个名词——插件（plugin）。这个名词在计算机软件开发中是常常会提到的，具体含义可以参考百度百科的插件词条。在ROS中，插件的概念类似，简单来讲，ROS中的插件（plugin）就是可以动态加载的扩展功能类。ROS中的pluginlib功能包，提供了加载和卸载plugin的C++库，开发者在使用plugin时，不需要考虑plugin类的链接位置，只需要将plugin注册到pluginlib中，即可直接动态加载。这种插件机制非常方便，开发者不需要改动原本软件的代码，直接将需要的功能通过plugin进行扩展即可。本文带你走近plugin，探索如何实现一个简单的plugin。

一、示例

我们首先通过下边这张图来了解一下pluginlib的工作原理。

假设ROS的功能包中已经存在一个polygon的基类（polygon_interface_package），我们可以通过plugin来实现两种polygon的功能支持：rectangle_plugin（rectangle_plugin_package）和triangle_plugin（triangle_plugin_package），在这两个功能包的package.xml中，需要声明polygon_interface_package中的基类polygon，然后在编译的过程中，会把插件注册到ROS系统，用户可以直接通过rospack的命令进行全局的插件查询，也可以在开发中直接使用这些插件了。

二、如何实现一个插件

pluginlib利用了C++多态的特性，不同的插件只要使用统一的接口，就可以替换使用，用户在使用过程中也不需要修改代码或者重新编译，选择需要使用的插件即可扩展相应的功能。一般来讲，实现一个插件主要需要以下几个步骤：

1. 创建基类，定义统一的接口。如果是基于现有的基类实现plugin，则不需要这个步骤。
2. 创建plugin类，继承基类，实现统一的接口。
3. 注册插件
4. 编译生成插件的动态链接库
5. 将插件加入ROS系统

接下来，我们就根据这几个步骤来实现第一节图示中的plugin功能，在开始之前，你需要建立一个pluginlib_tutorials的功能包，添加依赖pluginlib。

$ catkin_create_pkg pluginlib_tutorials roscpp pluginlib

完整的功能包代码可以在github上下载。

三、创建基类

首先我们来创建一个polygon的基类（polygon_base.h），定义了一些简单的接口，需要注意的是initialize()这个接口的作用。

#ifndef PLUGINLIB_TUTORIALS_POLYGON_BASE_H_
#define PLUGINLIB_TUTORIALS_POLYGON_BASE_H_

namespace polygon_base
{
  class RegularPolygon
  {
    public:
      //pluginlib要求构造函数不能带有参数，所以定义initialize来完成需要初始化的工作
      virtual void initialize(double side_length) = 0;

      //计算面积的接口函数
      virtual double area() = 0;

      virtual ~RegularPolygon(){}

    protected:
      RegularPolygon(){}
  };
};
#endif

四、创建plugin类

接下来我们来创建rectangle_plugin和triangle_plugin类（polygon_plugins.h），实现基类的接口，也可以添加plugin自己需要的接口。

#ifndef PLUGINLIB_TUTORIALS_POLYGON_PLUGINS_H_
#define PLUGINLIB_TUTORIALS_POLYGON_PLUGINS_H_
#include <pluginlib_tutorials/polygon_base.h>
#include <cmath>

namespace polygon_plugins
{
  class Triangle : public polygon_base::RegularPolygon
  {
    public:
      Triangle() : side_length_() {}

      // 初始化边长
      void initialize(double side_length)
      {
        side_length_ = side_length;
      }

      double area()
      {
        return 0.5 * side_length_ * getHeight();
      }

      // Triangle类自己的接口
      double getHeight()
      {
        return sqrt((side_length_ * side_length_) - ((side_length_ / 2) * (side_length_ / 2)));
      }

    private:
      double side_length_;
  };

  class Square : public polygon_base::RegularPolygon
  {
    public:
      Square() : side_length_() {}

      // 初始化边长
      void initialize(double side_length)
      {
        side_length_ = side_length;
      }

      double area()
      {
        return side_length_ * side_length_;
      }

    private:
      double side_length_;

  };
};
#endif

五、注册插件

上边两步我们就实现了两个简单插件的主要代码，接下来我们还需要创建一个cpp文件（polygon_plugins.cpp），来注册插件，声明我们创建了两个插件： 

//包含pluginlib的头文件，使用pluginlib的宏来注册插件
#include <pluginlib/class_list_macros.h>
#include <pluginlib_tutorials/polygon_base.h>
#include <pluginlib_tutorials/polygon_plugins.h>

//注册插件，宏参数：plugin的实现类，plugin的基类
PLUGINLIB_EXPORT_CLASS(polygon_plugins::Triangle, polygon_base::RegularPolygon);
PLUGINLIB_EXPORT_CLASS(polygon_plugins::Square, polygon_base::RegularPolygon);

六、编译插件的动态链接库

为了编译插件的功能包，需要修改CMakefile.txt文件，加入下边两行编译规则，将插件编译成动态链接库。

include_directories(include)
add_library(polygon_plugins src/polygon_plugins.cpp)

现在可以编译功能包了，但是为了便于开发者使用plugin，还需要编写xml文件，将插件加入ROS系统。

七、将插件加入ROS系统

这里需要添加和修改功能包根目录下的两个xml文件。

7.1 polygon_plugins.xml

<library path="lib/libpluginlib_tutorials">
  <class name="pluginlib_tutorials/regular_triangle" type="polygon_plugins::Triangle" base_class_type="polygon_base::RegularPolygon">
    <description>This is a triangle plugin.</description>
  </class>
  <class name="pluginlib_tutorials/regular_square" type="polygon_plugins::Square" base_class_type="polygon_base::RegularPolygon">
    <description>This is a square plugin.</description>
  </class>
</library>

可以看到，这个xml文件主要描述了plugin的动态库路径、实现类、基类、描述等信息。

7.2 package.xml

在package.xml中添加下边的两行代码：

<export>
  <pluginlib_tutorials plugin="${prefix}/polygon_plugins.xml" /> 
</export>

然后我们可以通过下边的命令来查看功能包的插件路径：

rospack plugins --attrib=plugin pluginlib_tutorials

如果没有问题，会出现如下的结果：

八、调用插件

在上边的步骤中，我们已经实现了插件的所有代码，接下来，我们就来尝试调用这两个插件，先来看一下代码（polygon_loader.cpp）：

#include <boost/shared_ptr.hpp>

#include <pluginlib/class_loader.h>
#include <pluginlib_tutorials/polygon_base.h>

int main(int argc, char** argv)
{
  // 创建一个ClassLoader，用来加载plugin
  pluginlib::ClassLoader<polygon_base::RegularPolygon> poly_loader("pluginlib_tutorials", "polygon_base::RegularPolygon");

  try
  {
    // 加载Triangle插件类，路径在polygon_plugins.xml中定义
    boost::shared_ptr<polygon_base::RegularPolygon> triangle = poly_loader.createInstance("pluginlib_tutorials/regular_triangle");

    // 初始化边长
    triangle->initialize(10.0);

    ROS_INFO("Triangle area: %.2f", triangle->area());
  }
  catch(pluginlib::PluginlibException& ex)
  {
    ROS_ERROR("The plugin failed to load for some reason. Error: %s", ex.what());
  }

  try
  {
    boost::shared_ptr<polygon_base::RegularPolygon> square = poly_loader.createInstance("pluginlib_tutorials/regular_square");
    square->initialize(10.0);

    ROS_INFO("Square area: %.2f", square->area());
  }
  catch(pluginlib::PluginlibException& ex)
  {
    ROS_ERROR("The plugin failed to load for some reason. Error: %s", ex.what());
  }

  return 0;
}

从上边的代码中我们可以看到，plugin可以在程序中动态加载，成功加载之后就可以调用plugin的接口来实现相应的功能了。

修改CMakefile.txt，添加上边代码的编译规则：

add_executable(polygon_loader src/polygon_loader.cpp) 
target_link_libraries(polygon_loader ${catkin_LIBRARIES})

然后编译并运行，可以看到如下结果：

OK，现在我们就完成了插件的实现和调用了，是不是还比较简单。在实际应用中，我们需要根据需求实现插件更多的扩展功能，但是基本原理仍然相同。下一篇我们将会探索如何实现一个rviz的插件，敬请期待。

参考资料

1. <ROS> pluginlib理解与示例

2. ROS—–pluginlib使用总结