C++編寫(xiě)非侵入式接口

終于寫(xiě)到c++的非侵入式接口了，興奮，開(kāi)心，失望，解脫，…… 。在搞了這么多的面向?qū)ο罂破罩?，本人也已?jīng)開(kāi)始不耐煩，至此，不想做太多闡述。

雖然，很早就清楚怎么在c++下搞非侵入式接口，但是，整個(gè)框架代碼，重構(gòu)了十幾次之后，才終于滿意。支持給基本類(lèi)型添加接口，好比int，char，const char*，double；支持泛型，好比vector，list；支持繼承，基類(lèi)實(shí)現(xiàn)的接口，表示子類(lèi)也繼承了對(duì)該接口的實(shí)現(xiàn)，而且子類(lèi)也可以拒絕基類(lèi)的接口，好比鴨子拒絕基類(lèi)鳥(niǎo)類(lèi)“會(huì)飛”，編譯時(shí)報(bào)錯(cuò)；支持接口組合；……，但是，這里僅僅簡(jiǎn)單介紹其原理，并不涉及C++中各種變態(tài)細(xì)節(jié)的處理，C++中，但凡是要正兒八經(jīng)的稍微做點(diǎn)正事，就要面臨無(wú)窮無(wú)盡的細(xì)節(jié)糾結(jié)。

先看看其使用例子：

1、自然是定義一個(gè)接口：取之于真實(shí)代碼片段

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

2、接口的實(shí)現(xiàn)類(lèi)，假設(shè)為int添加IFormatble的接口實(shí)現(xiàn)，實(shí)際代碼肯定不會(huì)這樣對(duì)一個(gè)一個(gè)的基本類(lèi)型來(lái)寫(xiě)實(shí)現(xiàn)類(lèi)的代碼。這里只是為了舉例說(shuō)明。類(lèi)的名字就隨便起好啦，

  struct ImpIntIFormatble : IFormatble
  {
    int* mThis;  //這一行是關(guān)鍵
    virtual void Format(TextWriter& stream, const FormatInfo& info)override
    {}

    virtual bool Parse(TextReader& stream, const FormatInfo& info)override
    {}
  };

這里的關(guān)鍵是，實(shí)現(xiàn)類(lèi)的字段被規(guī)定死了，最多只能包含3個(gè)指針成員字段，且第1個(gè)字段一定是目的類(lèi)型指針，第二是類(lèi)型信息對(duì)象（用于泛型），第三是額外參數(shù)，次序不能亂。成員字段如果不需要用到第二第三個(gè)成員字段數(shù)據(jù)，可以省略不寫(xiě)，好比這里。所有接口實(shí)現(xiàn)類(lèi)必須遵守這樣的內(nèi)存布局；

3、裝配，將接口的實(shí)現(xiàn)類(lèi)裝配到現(xiàn)有的類(lèi)上，以告訴編譯器該類(lèi)對(duì)于某個(gè)接口（這里為IFormatble）的實(shí)現(xiàn)，用的是第2步的實(shí)現(xiàn)類(lèi)ImpIntIFormatble；

PPInterfaceOf(IFormatble, int, ImpIntIFormatble)


4、將實(shí)現(xiàn)類(lèi)注冊(cè)到類(lèi)型信息的接口實(shí)現(xiàn)列表中，這一步可以省略，只是為了運(yùn)行時(shí)的接口查詢，相當(dāng)于IUnknown的Query。這一行代碼是在全局對(duì)象的構(gòu)造函數(shù)中執(zhí)行的，放在cpp源文件中

RegisterInterfaceImp<IFormatble, int>();

然后就可以開(kāi)開(kāi)心心地使用接口了，比如

      int aa = 20;
      TextWriter stream();
      FormatInfo info();
      TInterface<IFormatble> formatable(aa); //TInterface這個(gè)名字過(guò)難看，也沒(méi)辦法了
      formatable->Format(stream, info);
      double dd = 3.14;
      formatable = TInterface<IFormatble>(dd);  //假設(shè)double也實(shí)現(xiàn)IFormatble
      formatable->Format(stream, info);

是否有點(diǎn)神奇呢？其實(shí)也沒(méi)什么，不過(guò)就是在trait和內(nèi)存布局上做文章，也就只是用了類(lèi)型運(yùn)算的伎倆?？疾霫mpIntIFormatble的內(nèi)存布局，對(duì)于普遍的c++編譯器來(lái)說(shuō)，對(duì)象的虛函數(shù)表指針（如果存在的話），都放在對(duì)象的起始地址上，后面緊跟對(duì)象本身的成員數(shù)據(jù)字段，因此，ImpIntIFormatble的內(nèi)存布局相當(dāng)于，

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

注意，這里已經(jīng)沒(méi)有繼承了。這就是，實(shí)現(xiàn)了IFormatble 接口的ImpIntIFormatble對(duì)象的內(nèi)存表示。因此，可以想象，所有的接口實(shí)現(xiàn)類(lèi)的內(nèi)存布局都強(qiáng)制規(guī)定為以下形式：

  struct InterfaceLayout
  {
    const void* mVtbl;
    const void* mThis;      //對(duì)象本身
    const TypeInfo* mTypeInfo;  //類(lèi)型信息
    const void* mParam;  //補(bǔ)充參數(shù)，一般很少用到
  };

當(dāng)然，如果編譯器的虛函數(shù)表指針不放在對(duì)象起始地址的話，就沒(méi)法這么玩了，那么非侵入式接口也無(wú)從做起。然后，就是TInterface了，繼承于InterfaceLayout

  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;
    }
    
  };

不管怎么說(shuō)都好，TInterface對(duì)象的內(nèi)存布局與接口實(shí)現(xiàn)類(lèi)的內(nèi)存布局一致。因此操作符->重載函數(shù)才可以粗暴的類(lèi)型轉(zhuǎn)換來(lái)順利完成。然后構(gòu)造TInterface對(duì)象的時(shí)候就是強(qiáng)制獲取ImpIntIFormatble對(duì)象的虛函數(shù)表（也就是其起始地址的指針數(shù)據(jù)）指針賦值給InterfaceLayout的mVtbl，進(jìn)而依次把實(shí)際對(duì)象的指針?lè)旁趍This上，獲取到類(lèi)型信息對(duì)象放在mTypeInfo中，如果有必要搭理mParam，也相應(yīng)地賦值。

然后，就是template<typename Interface, typename Object>struct InterfaceOf各種特化的運(yùn)用而已，就不值一提了。

由于c++的abi沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，并且，c++標(biāo)準(zhǔn)也沒(méi)有規(guī)定編譯器必須用虛函數(shù)表來(lái)實(shí)現(xiàn)多態(tài)，所以，這里的奇技淫巧并不能保證在所有平臺(tái)上都能夠成立，但是，非侵入式接口真是方便，已經(jīng)是本座寫(xiě)c++代碼的核心工具，一切都圍繞著非侵入式接口來(lái)展開(kāi)。

原本打算長(zhǎng)篇大論，也只有草草收?qǐng)觥Ｖ?，本座就解放了，?huì)暫時(shí)離開(kāi)cppblog很久，計(jì)劃中的內(nèi)容，消息發(fā)送，虛模板函數(shù)，字符串，輸入輸出，格式化，序列化， locale，全局變量，模板表達(dá)式，組合子解析器，allocator，智能指針，程序運(yùn)行時(shí)，抽象工廠訪問(wèn)者等模式的另類(lèi)實(shí)現(xiàn)，以求從全新的角度上來(lái)表現(xiàn)C++的強(qiáng)大，也只能中斷了。