C++语言改造: 完全静态的反射机制

我爱萨其马虞co · 发表于 2020-12-25 18:50

上篇文章我们提出了扩展C++反射功能的一些需求，并且稍微谈了下实现的思路。现在我完全实现了静态反射的功能拓展，并且在代码生成器SAC（SakuraAutoCoder）中完成了静态反射相关代码的生成工作。
先上仓库：
这是一个真正可用于生产环境，并且完全运行时0 overhead的方案。
由于我使用了更新的语言特性（ISO C++20），这套方案从形式和优雅程度上，完爆Unreal。不过严格来说， Unreal也没有静态反射（实现全是动态的，功能基本是静态的）。欢迎各种形式的对标Unreal，如果真的懂静态反射的老师读完觉得不太行，可以尽情挑刺。
阴阳话说的有点多，那么下面这篇文章就来分析一下具体的实现细节，同时修正上篇文章成文时的一些纰漏。
静态反射的管辖范畴

在上篇文章我们简单提及了一些静态/动态反射相关的知识，但是对于静态反射的具体范畴，当时的我存在一些误解。为了避免被人说不懂反射，这里进行一下概念上的纠正。
提及反射，很多时候大家喜欢讲：C++不支持静态反射。其实这种说法很不正确，准确来讲，C++不支持动态反射（因为根本没有运行时环境），同时静态反射非常孱弱。
任何程序自省的行为，都称作反射。举一个最简单的例子，typetraits中的std::is_xxx就是编译期程序自省的行为，是C++中静态反射功能集的组成部分。当然此种说法过于较真苛刻，一般在C++中谈及静态反射，我们都是指这个提案（以及它的修订版本）：
对于C++来说倾向于使用推倒的形式获取类型信息，而不是从编译信息中直接获取信息。并且在编译时为字段添加信息的功能也完全没有，这就是需要我们自己进行扩展的内容了。我们需要：

编译时

字段/方法的遍历

静态的附加元信息，

乍眼一看非常苛刻，但是完成这两条后静态反射会被完全补全，并且完全嵌入C++这个语言中。你可以在你想要的任何地方使用功能完全的静态反射，遍历域，获取meta信息，等等等等，并且这些操作都是constexpr的。
比如下面这个操作，我们遍历了TestComponent的词条：
瞅了瞅有没有char类型的字段，以及有没有字段含有container这个attribute。
检查一下我们的TestComponent，结果是完全正确且编译期完成的。
Parse

在Parse方面，暂时还是采用libclang。需要注意的是，完整的parse需要分析包含头，耗时可能会较长（尤其是当你包含了stl这些纯头的时候）。在包含了所有stl容器头的测试中，单个文件的parse耗时接近0.5s。不过考虑到我写的代码生成工具具有增量，姑且还是完全parse了。
这部分较好的方案是自己写一个特殊parser进行不完全的parse，可以大量减少等待时间。
CodeGen：干净且易读

我们谈回实现本身，大家都知道实现静态反射需要生成代码提供额外信息，但是该怎么生成，生成怎样的代码比较好呢？
我们先看一个负面例子，Unreal闪亮登场了。生成的大粪代码太多了，也简直不是人读的就不贴了。有兴趣可以自己去读，这里只说CodeGen的槽点：

其中最大的漏洞，就是只支持FXXX，这是功能上的缺失。这里我们当然要规避掉，我们的反射支持所有的C++类和枚举。甚至所有的成员，我们生成的代码格式都高度一致，一视同仁。
解决了漏洞，我们解决设计上的问题。我们生成的代码，无论多少，必须有规律并且可以泛化处理。用户有啥依赖meta的需求，直接模板走起就可以拓展了。
静态反射的CodeGen图啥呢？不就是搜集信息吗。所以我们生成的代码就是纯粹的信息，对信息的操作都提供RuntimeHeader来实现。下面是生成的信息，格式高度一致且简洁：
特化一个模板来盛装反射类的信息。其中宏SFIELD_INFO展开后会生成一个类型，里面包含着对应域的各种信息。生成的类型，拥有着同名的成员符号，这为使用模板进行扩展提供了极大的便利。同时我们只包含constexpr信息，就可以只生成header，不用额外再链接一个生成的.cpp文件了。
我们的代码生成工具以后也会服务于其他的引擎功能（例如P/Invoke导出），但是会保持干净，生成的各个部分不会纠缠在一起，更不会生成万事屋型的对象代码。
Runtime支持：完全静态且纯头

要使用静态反射特性，利用起代码生成器生成的这些信息，需要一个头来进行支持。
对于field的遍历，我们直接对上面生成的tuple进行foreach访问即可。
透过lambda的类型推倒，也可以使用auto&&推倒出fieldinfo的类型，完成针对不同生成类型的泛用。
对于每个field，meta的类型都是不同的，但是不妨碍泛用
这个foreach在编译期就会完全展开，可以放心的在lambda内编写constexpr代码。
其实到此为止，我们必要的东西已经全部完成了。其余的部分，可以很方便的扩展得来，比如我们上文实现的那个filter，利用了constexpr std::string_view的一系列操作。
通过上面这两个matching函数，我们传入一个比较函数。把生成的信息数组unpack，利用unfold expression对它们逐个调用比较函数，并进行｜操作。传入自定义的匹配函数，就可以在编译时对attributes进行matching了：
其余的扩展需求，都可以使用模板来进行类似的实现，这也是纯信息化系统的一大优势了。

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