C語(yǔ)言簡(jiǎn)單反射機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)探討

【關(guān)鍵詞】反射機(jī)制；元信息；抽象；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

一、概述

反射（Reflection）的概念是由Smith在1982年首次提出的，主要是指程序可以訪問(wèn)、檢測(cè)和修改它本身狀態(tài)或行為的一種能力。

編程語(yǔ)言反射機(jī)制[1]可以自動(dòng)生成元信息，依賴這些元信息，程序可以動(dòng)態(tài)地訪問(wèn)、檢測(cè)，以及修改對(duì)象。反射機(jī)制有著廣泛應(yīng)用[2]，例如：持久化、配置文件導(dǎo)入導(dǎo)出，以及框架開發(fā)[3]等等，是一種既靈活又強(qiáng)大的編程語(yǔ)言特性。

二、元信息設(shè)計(jì)

元信息，也稱為元數(shù)據(jù)，是描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，它提供了關(guān)于數(shù)據(jù)的基本屬性和特征的信息。元信息在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如：文件系統(tǒng)中，元信息通常用于描述文件的基本屬性，可能包括文件名、文件大小、創(chuàng)建日期，以及修改日期等，這些元信息有助于文件系統(tǒng)更好地管理文件；數(shù)據(jù)庫(kù)中，元信息用于描述表的結(jié)構(gòu)、類型，以及約束等信息，幫助數(shù)據(jù)庫(kù)更好地管理數(shù)據(jù)?？傊?，元信息是一種非常重要的數(shù)據(jù)資源，它提供了關(guān)于數(shù)據(jù)的基本信息和特征，有助于我們更好地管理和理解數(shù)據(jù)。

元信息在反射機(jī)制中扮演著至關(guān)重要的角色，它是反射機(jī)制得以有效運(yùn)作的核心要素。反射機(jī)制允許程序在運(yùn)行時(shí)獲取和操作對(duì)象的信息，完全是基于元信息實(shí)現(xiàn)的。元信息通常包括關(guān)于對(duì)象的類型、結(jié)構(gòu)、屬性和方法等各方面的詳細(xì)描述，通過(guò)反射機(jī)制，程序可以查詢這些元信息，從而了解對(duì)象的內(nèi)部狀態(tài)和行為；同時(shí)使得程序能夠在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地修改對(duì)象的狀態(tài)、調(diào)用方法或

軟件開發(fā)中，存在一種如圖1所示的關(guān)系，結(jié)構(gòu)體是現(xiàn)實(shí)的抽象，元信息是結(jié)構(gòu)體的抽象，最后元信息又是自身的抽象。

C語(yǔ)言支持對(duì)現(xiàn)實(shí)的抽象，一般使用結(jié)構(gòu)體，推廣到其他類型亦可。C語(yǔ)言提供完備的類型系統(tǒng)，包括：整型、浮點(diǎn)、結(jié)構(gòu)體、數(shù)組、指針、枚舉，以及聯(lián)合體等類型，并且允許數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)彼此以嵌套、鏈接，以及遞歸等方式組合。

基于C語(yǔ)言類型系統(tǒng)多樣的組合方式，不僅可以構(gòu)建樹型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，還可以構(gòu)建更加復(fù)雜的圖狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖[4]是用來(lái)展示數(shù)據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，例如：圖2是list的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖。以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖為依據(jù)，C語(yǔ)言類型可以分兩類：簡(jiǎn)單類型包括整型、浮點(diǎn)、字符，以及枚舉，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖中只能是邊界節(jié)點(diǎn)，即被箭頭指向，不能作為箭頭起始；復(fù)合類型包括結(jié)構(gòu)體、聯(lián)合體、數(shù)組，以及指針，在圖中可以擔(dān)當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)，連接箭頭尾部。

以直接或間接實(shí)例化成變量為依據(jù)，C語(yǔ)言類型可以分成兩類：可直接實(shí)例化類型包括整型、浮點(diǎn)、字符、數(shù)組，以及指針；間接實(shí)例化類型包括結(jié)構(gòu)體、聯(lián)合體，以及枚舉，例如結(jié)構(gòu)體類型不能直接實(shí)例化成結(jié)構(gòu)體變量，需要實(shí)例化成具體結(jié)構(gòu)體，即在代碼中定義結(jié)構(gòu)體，然后再實(shí)例化該具體結(jié)構(gòu)體成為變量。

但是C語(yǔ)言抽象鏈表是不完整的，缺失元信息內(nèi)容，所以不支持反射機(jī)制。元信息是結(jié)構(gòu)體的抽象，本質(zhì)是描述C語(yǔ)言類型的結(jié)構(gòu)體。元信息的設(shè)計(jì)就是，對(duì)描述各類型所需屬性的整理匯總，如下所示：

元信息既是結(jié)構(gòu)體，又是結(jié)構(gòu)體的抽象，這就不難解釋元信息可以抽象自身。

三、使用元信息

反射機(jī)制通過(guò)提供接口將元信息與程序的實(shí)際執(zhí)行過(guò)程相結(jié)合。Java常用的反射機(jī)制訪問(wèn)接口，根據(jù)不同類型提供不同函數(shù)，由調(diào)用者選擇，如下所示：

publicObjectget（Object）

publicbooleangetBoolean（Object）

publicbytegetByte（Object）

publicchargetChar（Object）

publicshortgetShort（Object）

publicintgetInt（Object）

publiclonggetLong（Object）

publicfloatgetFloat（Object）

publicdoublegetDouble（Object）

publicvoidset（Object，Object）

publicvoidsetBoolean（Object，boolean）

publicvoidsetByte（Object，byte）

publicvoidsetChar（Object，char）

publicvoidsetShort（Object，short）

publicvoidsetInt（Object，int）

publicvoidsetLong（Object，long）

publicvoidsetFloat（Object，float）

publicvoidsetDouble（Object，double）

反射機(jī)制接口設(shè)計(jì)原理，是以元信息為地圖，按圖索驥訪問(wèn)變量，賦值或者獲取變量值。Java反射訪問(wèn)接口函數(shù)繁多，主要因?yàn)樵O(shè)計(jì)上用不同函數(shù)承載不同類型，而Java又具備豐富的類型系統(tǒng)。為了簡(jiǎn)化接口，本文采用了輸入輸出參數(shù)承載類型的設(shè)計(jì)策略，對(duì)外只提供了getter和setter函數(shù)：函數(shù)getter輸入?yún)?shù)需要變量地址、字段路徑，以及元信息，輸出請(qǐng)求的值；函數(shù)setter輸入?yún)?shù)需要變量地址、字段路徑、元信息，以及要設(shè)置的值。由于C語(yǔ)言類型系統(tǒng)同樣豐富，不同類型的值體現(xiàn)不同的特征，若用接口函數(shù)的值參數(shù)承載類型，值參數(shù)同樣需要具備相應(yīng)的類型系統(tǒng)。本文借用JSON類型系統(tǒng)，直接使用cJSON作為值參數(shù)，其中cJSON是應(yīng)用廣泛的JSON庫(kù)。反射機(jī)制訪問(wèn)接口包括三大要素：變量是被賦值和獲取的主體；元信息是變量組織結(jié)構(gòu)信息地圖，根據(jù)地圖才能找到待訪問(wèn)字段；cJSON是設(shè)置或者獲取的值，自身包括待訪問(wèn)字段路徑，本文設(shè)計(jì)反射機(jī)制訪問(wèn)接口如下：

intget_each_value_of_fields（void*obj，meta_t*meta，cJSON*value）

intset_each_value_of_fields（void*obj，meta_t*meta，cJSON*value）

其中C語(yǔ)言類型系統(tǒng)與cJSON值類型系統(tǒng)映射關(guān)系如下：

四、創(chuàng)建元信息

程序開發(fā)過(guò)程存在多個(gè)維度：開發(fā)者維度、代碼維度，以及程序維度。開發(fā)者直接控制代碼維度，間接控制程序維度；代碼維度直接控制程序維度；程序維度自成系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)體處于代碼維度，不可進(jìn)入程序維度，實(shí)際上只有變量才可以攜帶數(shù)據(jù)，并存在于程序維度；因此只有創(chuàng)建了對(duì)應(yīng)的元信息變量的類型才支持反射，所以不僅需要抽象出元信息結(jié)構(gòu)體，也需要為其創(chuàng)建元信息變量。本文將這些抽象出來(lái)的元信息結(jié)構(gòu)體稱為元結(jié)構(gòu)體，是元信息的抽象；把元結(jié)構(gòu)體實(shí)例化的變量稱為元變量，是元信息的載體。

將變量補(bǔ)充到抽象鏈圖中，如圖3所示：實(shí)例化了結(jié)構(gòu)體的變量，描述現(xiàn)實(shí)對(duì)象的基本屬性；實(shí)例化了抽象結(jié)構(gòu)體的元信息的變量，描述了結(jié)構(gòu)體的基本屬性；實(shí)例化了抽象元信息的元信息的變量，描述了元信息的基本屬性；元信息的自描述屬性，阻止了抽象鏈的無(wú)限增長(zhǎng)。

C語(yǔ)言不支持反射機(jī)制，元信息在程序維度不存在，它存在于代碼維度，受開發(fā)者維度控制；如何在程序維度獲取元信息，是創(chuàng)建元信息的方法要解決的本質(zhì)問(wèn)題。創(chuàng)建元信息，就是創(chuàng)建元變量，可用于創(chuàng)建其他類型變量的方式，都適用于創(chuàng)建元變量；最簡(jiǎn)單方式就是直接定義變量，然后開發(fā)者負(fù)責(zé)根據(jù)待反射結(jié)構(gòu)體對(duì)各個(gè)字段進(jìn)行初始化，整個(gè)過(guò)程是靜態(tài)的，由開發(fā)者控制，語(yǔ)言級(jí)別沒(méi)有提供任何輔助。

本文的簡(jiǎn)單反射機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)體定義代碼解析器，可以解析結(jié)構(gòu)體定義的字符串，生成相應(yīng)的元變量；還提供了若干宏接口，簡(jiǎn)化創(chuàng)建元信息過(guò)程，設(shè)計(jì)函數(shù)和宏如下：

結(jié)束語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)的C語(yǔ)言簡(jiǎn)單反射機(jī)制，可以應(yīng)用到各種場(chǎng)景，例如：配置文件導(dǎo)入導(dǎo)出、生成監(jiān)控報(bào)表、序列化，以及restful接口實(shí)現(xiàn)等；并且極大簡(jiǎn)化了其開發(fā)難度，例如：配置文件導(dǎo)入導(dǎo)出模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示，首先根據(jù)配置需求編寫配置結(jié)構(gòu)體，然后為配置結(jié)構(gòu)體創(chuàng)建元變量，接著實(shí)例化配置結(jié)構(gòu)體成為配置變量，最后就可以通過(guò)getter/setter簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)配置文件導(dǎo)入導(dǎo)出。

本文實(shí)現(xiàn)的C語(yǔ)言簡(jiǎn)單反射機(jī)制，提供了基本的反射功能，具備較廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。但簡(jiǎn)單反射機(jī)制還有很多待改進(jìn)地方，例如：不支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖存在回環(huán)結(jié)構(gòu)情況；尚不支持位段類型，位段是一種特殊類型，它委托給其他類型用于訪問(wèn)，但不支持地址操作，而自身只做位數(shù)限制。