从RTTR谈Reflection机制

虽然C++11引入了RTTI、Metaprogramming 等技术,但C++在Reflection编程方面依旧功能有限。在社区上,RTTR则提供了一套C++编写的反射库,补充了C++在Reflection方面的缺陷。

零、环境

操作系统Windows 11
Visual StudioVisual Studio Community 2022 
CMakeCMake 3.24.2
DoxygenDoxygen-1.9.8

一、下载源码

从GitHub拉取RTTR代码:

git clone https://github.com/rttrorg/rttr.git

二、编译

按照下表配置CMake,并完成构建与生成,

Where is the source codeWindows 11
Where to build the binariesVisual Studio Community 2022 
CMAKE_INSTALL_PREFIXCMake 3.24.2

打开rttr.sln,构建"ALL_BUILD"完成RTTR编译;构建"INSTALL"完成RTTR安装。

三、RTTR源码分析

虽然各种反射机制的具体实现有所不同,但大体思路还是一致的:

  • 生成类型元数据

类型元数据包括构造函数、属性、方法等,类型元数据可以在编译阶段自动生成,也可以在运行阶段手动注册;

  • 执行反射

需要执行反射操作时,依据存储的反射信息访问对应的地址。

在RTTR中,类型元数据存储在rttr::detail::class_data、rttr::detail::type_data中,

struct RTTR_LOCAL class_data
{
    class_data(get_derived_info_func func, std::vector<type> nested_types)
    :   m_derived_info_func(func),
        m_nested_types(nested_types),
        m_dtor(create_invalid_item<destructor>())
    {}

    get_derived_info_func       m_derived_info_func;
    std::vector<type>           m_base_types;
    std::vector<type>           m_derived_types;
    std::vector<rttr_cast_func> m_conversion_list;
    std::vector<property>       m_properties;
    std::vector<method>         m_methods;
    std::vector<constructor>    m_ctors;
    std::vector<type>           m_nested_types;
    destructor                  m_dtor;
};
struct RTTR_LOCAL type_data
{
    type_data* raw_type_data;
    type_data* wrapped_type;
    type_data* array_raw_type;

    std::string name;
    string_view type_name;

    std::size_t get_sizeof;
    std::size_t get_pointer_dimension;

    impl::create_variant_func create_variant;
    impl::get_base_types_func get_base_types; // FIXME: this info should not be stored, its just temporarily,
                                              // thats why we store it as function pointer

    enumeration_wrapper_base*  enum_wrapper;
    impl::get_metadata_func    get_metadata;
    impl::create_wrapper_func  create_wrapper;
    impl::get_class_data_func  get_class_data;

    bool is_valid;
    RTTR_FORCE_INLINE bool type_trait_value(type_trait_infos type_trait) const RTTR_NOEXCEPT { return m_type_traits.test(static_cast<std::size_t>(type_trait)); }


    type_traits m_type_traits;
};

3.1 生成rttr::detials::type_data

当第一次调用type::get()函数时,会生成对应的类型元数据,

template<typename T>
RTTR_INLINE type type::get() RTTR_NOEXCEPT
{
    using non_ref_type = typename std::remove_cv<typename std::remove_reference<T>::type>::type;
    return detail::create_or_get_type<non_ref_type>();
}

template<typename T>
RTTR_LOCAL RTTR_INLINE enable_if_t<is_complete_type<T>::value, type>
create_or_get_type() RTTR_NOEXCEPT
{
    // when you get an error here, then the type was not completely defined
    // (a forward declaration is not enough because base_classes will not be found)
    using type_must_be_complete = char[ sizeof(T) ? 1: -1 ];
    (void) sizeof(type_must_be_complete);
    static const type val = create_type(get_registration_manager().add_item(make_type_data<T>()));
    return val;
}

 从中可以看出,rttr::type实际上时对类型数据的一种引用。

3.2 注册类型信息数据

rttr::registration实际上时借助于函数对象rttr::registration::bind完成构造函数的注册,

template<typename Class_Type>
template<typename F, typename acc_level, typename Tp>
registration::bind<detail::ctor_func, Class_Type, F, acc_level> registration::class_<Class_Type>::constructor(F func, acc_level level)
{
    using namespace detail;
    static_assert(is_functor<F>::value,
                  "No valid accessor for invoking the constructor provided!");

    static_assert(std::is_same<return_func, typename method_type<F>::type>::value,
                  "For creating this 'class type', please provide a function pointer or std::function with a return value.");

    return {create_if_empty(m_reg_exec), func};
}
template<typename Class_Type, typename F, typename acc_level>
class registration::bind<detail::ctor_func, Class_Type, F, acc_level> : public registration::class_<Class_Type>
{
//...    
public:
        bind(const std::shared_ptr<detail::registration_executer>& reg_exec, F func)
        :   registration::class_<Class_Type>(reg_exec), m_reg_exec(reg_exec), m_func(func)
        {
            m_reg_exec->add_registration_func(this);
        }

        template<typename... Args>
        registration::class_<Class_Type> operator()(Args&&... args)
        {
            m_ctor = create_custom_constructor(m_func, std::forward<Args>(args)...);
            return registration::class_<Class_Type>(m_reg_exec);
        }
//...
}
registration_executer::~registration_executer()
{
    for (auto&& item : m_list)
    {
        item.second();
    }
}

至于,属性、方法等类型元数据的注册,原理类似,可参照对应代码。

3.3 生成对象

rttr::type调用存储的构造器,完成对象的实例化。

variant type::create(vector<argument> args) const
{
    auto& ctors = m_type_data->get_class_data().m_ctors;
    for (const auto& ctor : ctors)
    {
        if (detail::compare_with_arg_list::compare(ctor.get_parameter_infos(), args))
            return ctor.invoke_variadic(std::move(args));
    }

    return variant();
}

四、扩展:Reflection的其他实现

4.1 MFC

在MFC中,DECLARE_DYNCREATE/IMPLEMENT_DYNCREATE宏用于声明、定义反射相关元数据,

#define DECLARE_DYNAMIC(class_name) \
public: \
	static const CRuntimeClass class##class_name; \
	virtual CRuntimeClass* GetRuntimeClass() const; \

#define DECLARE_DYNCREATE(class_name) \
	DECLARE_DYNAMIC(class_name) \
	static CObject* PASCAL CreateObject();

#define IMPLEMENT_RUNTIMECLASS(class_name, base_class_name, wSchema, pfnNew, class_init) \
	AFX_COMDAT const CRuntimeClass class_name::class##class_name = { \
		#class_name, sizeof(class class_name), wSchema, pfnNew, \
			RUNTIME_CLASS(base_class_name), NULL, class_init }; \
	CRuntimeClass* class_name::GetRuntimeClass() const \
		{ return RUNTIME_CLASS(class_name); }

#define IMPLEMENT_DYNAMIC(class_name, base_class_name) \
	IMPLEMENT_RUNTIMECLASS(class_name, base_class_name, 0xFFFF, NULL, NULL)

#define IMPLEMENT_DYNCREATE(class_name, base_class_name) \
	CObject* PASCAL class_name::CreateObject() \
		{ return new class_name; } \
	IMPLEMENT_RUNTIMECLASS(class_name, base_class_name, 0xFFFF, \
		class_name::CreateObject, NULL)

从中,可以看到,反射元数据实际上时存放到了CRuntimeClass静态变量中,

struct CRuntimeClass
{
// Attributes
	LPCSTR m_lpszClassName;
	int m_nObjectSize;
	UINT m_wSchema; // schema number of the loaded class
	CObject* (PASCAL* m_pfnCreateObject)(); // NULL => abstract class
#ifdef _AFXDLL
	CRuntimeClass* (PASCAL* m_pfnGetBaseClass)();
#else
	CRuntimeClass* m_pBaseClass;
#endif

// Operations
	CObject* CreateObject();
	BOOL IsDerivedFrom(const CRuntimeClass* pBaseClass) const;

	// dynamic name lookup and creation
	static CRuntimeClass* PASCAL FromName(LPCSTR lpszClassName);
	static CRuntimeClass* PASCAL FromName(LPCWSTR lpszClassName);
	static CObject* PASCAL CreateObject(LPCSTR lpszClassName);
	static CObject* PASCAL CreateObject(LPCWSTR lpszClassName);

// Implementation
	void Store(CArchive& ar) const;
	static CRuntimeClass* PASCAL Load(CArchive& ar, UINT* pwSchemaNum);

	// CRuntimeClass objects linked together in simple list
	CRuntimeClass* m_pNextClass;       // linked list of registered classes
	const AFX_CLASSINIT* m_pClassInit;
};

4.2 Qt

在笔者<Qt源码分析:QMetaObject实现原理>一文中,已就Qt反射机制做了分析,可以看到Qt反射相关元数据时存放到了QMetaObject中了,

struct Q_CORE_EXPORT QMetaObject
{
    //...
    struct { // private data
        SuperData superdata;
        const QByteArrayData *stringdata;
        const uint *data;
        typedef void (*StaticMetacallFunction)(QObject *, QMetaObject::Call, int, void **);
        StaticMetacallFunction static_metacall;
        const SuperData *relatedMetaObjects;
        void *extradata; //reserved for future use
    } d;

    //...
};

网络资料

Reflectionicon-default.png?t=N7T8https://en.wikipedia.org/wiki/Reflection_%28computer_programming%29

The C++ Extensions for Reflection icon-default.png?t=N7T8https://en.cppreference.com/w/cpp/experimental/reflect

RTTRicon-default.png?t=N7T8https://www.rttr.org/QMetaObjecticon-default.png?t=N7T8https://doc.qt.io/qt-5/qmetaobject.html

yazi-web icon-default.png?t=N7T8https://github.com/kaifamiao/yazi-web.git

Boost Hana icon-default.png?t=N7T8https://www.boost.org/doc/libs/1_80_0/libs/hana/doc/html/index.html

Boost PRF icon-default.png?t=N7T8https://www.boost.org/doc/libs/master/doc/html/boost_pfr.html

 An Introduction to Reflection in C++icon-default.png?t=N7T8https://blog.csdn.net/qq_26221775/article/details/138768568?spm=1001.2014.3001.5501

FreeCAD: C++ Generic Factory Method inteface adviceicon-default.png?t=N7T8https://forum.freecad.org/viewtopic.php?p=24221&hilit=BaseClass#p24221

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