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C++编写非侵入式接口

时间:2021-05-24 15:02     来源/作者:huaxiazhihuo

终于写到c++的非侵入式接口了,兴奋,开心,失望,解脱,…… 。在搞了这么多的面向对象科普之后,本人也已经开始不耐烦,至此,不想做太多阐述。

虽然,很早就清楚怎么在c++下搞非侵入式接口,但是,整个框架代码,重构了十几次之后,才终于满意。支持给基本类型添加接口,好比int,char,const char*,double;支持泛型,好比vector,list;支持继承,基类实现的接口,表示子类也继承了对该接口的实现,而且子类也可以拒绝基类的接口,好比鸭子拒绝基类鸟类“会飞”,编译时报错;支持接口组合;……,但是,这里仅仅简单介绍其原理,并不涉及C++中各种变态细节的处理,C++中,但凡是要正儿八经的稍微做点正事,就要面临无穷无尽的细节纠结。

先看看其使用例子:

1、自然是定义一个接口:取之于真实代码片段

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struct IFormatble
{
  static TypeInfo* GetTypeInfo();
  virtual void Format(TextWriter& stream, const FormatInfo& info) = 0;
  virtual bool Parse(TextReader& stream, const FormatInfo& info)
  {
    PPNotImplement();
  }
};

2、接口的实现类,假设为int添加IFormatble的接口实现,实际代码肯定不会这样对一个一个的基本类型来写实现类的代码。这里只是为了举例说明。类的名字就随便起好啦,

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struct ImpIntIFormatble : IFormatble
{
  int* mThis;  //这一行是关键
  virtual void Format(TextWriter& stream, const FormatInfo& info)override
  {}
 
  virtual bool Parse(TextReader& stream, const FormatInfo& info)override
  {}
};


这里的关键是,实现类的字段被规定死了,最多只能包含3个指针成员字段,且第1个字段一定是目的类型指针,第二是类型信息对象(用于泛型),第三是额外参数,次序不能乱。成员字段如果不需要用到第二第三个成员字段数据,可以省略不写,好比这里。所有接口实现类必须遵守这样的内存布局;

3、装配,将接口的实现类装配到现有的类上,以告诉编译器该类对于某个接口(这里为IFormatble)的实现,用的是第2步的实现类ImpIntIFormatble;

PPInterfaceOf(IFormatble, int, ImpIntIFormatble)

4、将实现类注册到类型信息的接口实现列表中,这一步可以省略,只是为了运行时的接口查询,相当于IUnknown的Query。这一行代码是在全局对象的构造函数中执行的,放在cpp源文件中

RegisterInterfaceImp<IFormatble, int>();

然后就可以开开心心地使用接口了,比如

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int aa = 20;
TextWriter stream();
FormatInfo info();
TInterface<IFormatble> formatable(aa); //TInterface这个名字过难看,也没办法了
formatable->Format(stream, info);
double dd = 3.14;
formatable = TInterface<IFormatble>(dd);  //假设double也实现IFormatble
formatable->Format(stream, info);

是否有点神奇呢?其实也没什么,不过就是在trait和内存布局上做文章,也就只是用了类型运算的伎俩。考察ImpIntIFormatble的内存布局,对于普遍的c++编译器来说,对象的虚函数表指针(如果存在的话),都放在对象的起始地址上,后面紧跟对象本身的成员数据字段,因此,ImpIntIFormatble的内存布局相当于,

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struct ImpIntIFormatble
{
  void* vtbl;
  int* mThis;
};

注意,这里已经没有继承了。这就是,实现了IFormatble 接口的ImpIntIFormatble对象的内存表示。因此,可以想象,所有的接口实现类的内存布局都强制规定为以下形式:

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struct InterfaceLayout
{
  const void* mVtbl;
  const void* mThis;      //对象本身
  const TypeInfo* mTypeInfo;  //类型信息
  const void* mParam;  //补充参数,一般很少用到
};

当然,如果编译器的虚函数表指针不放在对象起始地址的话,就没法这么玩了,那么非侵入式接口也无从做起。然后,就是TInterface了,继承于InterfaceLayout

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template<typename IT>
struct TInterface : public InterfaceLayout
{
  typedef IT interface_type;
  static_assert(is_abstract<IT>::value, "interface must have pure function");
  static_assert(sizeof(IT) == sizeof(void*), "Can't have data");
public:
  interface_type* operator->()const
  {
    interface_type* result = (interface_type*)(void*)this;
    return result;
  }
  
};

不管怎么说都好,TInterface对象的内存布局与接口实现类的内存布局一致。因此操作符->重载函数才可以粗暴的类型转换来顺利完成。然后构造TInterface对象的时候就是强制获取ImpIntIFormatble对象的虚函数表(也就是其起始地址的指针数据)指针赋值给InterfaceLayout的mVtbl,进而依次把实际对象的指针放在mThis上,获取到类型信息对象放在mTypeInfo中,如果有必要搭理mParam,也相应地赋值。

然后,就是template<typename Interface, typename Object>struct InterfaceOf各种特化的运用而已,就不值一提了。

由于c++的abi没有统一标准,并且,c++标准也没有规定编译器必须用虚函数表来实现多态,所以,这里的奇技淫巧并不能保证在所有平台上都能够成立,但是,非侵入式接口真是方便,已经是本座写c++代码的核心工具,一切都围绕着非侵入式接口来展开。

原本打算长篇大论,也只有草草收场。之后,本座就解放了,会暂时离开cppblog很久,计划中的内容,消息发送,虚模板函数,字符串,输入输出,格式化,序列化, locale,全局变量,模板表达式,组合子解析器,allocator,智能指针,程序运行时,抽象工厂访问者等模式的另类实现,以求从全新的角度上来表现C++的强大,也只能中断了。

原文链接:http://www.cppblog.com/huaxiazhihuo/archive/2017/07/15/215110.html

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