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C++编写非侵入式接口

2017-07-16 17:29 501 查看

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

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，

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

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，

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：

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

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。

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标签： C++ 非侵入式接口

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