C++編寫非侵入式接口

終于寫到c++的非侵入式接口了，興奮，開心，失望，解脫，…… 。在搞了這么多的面向對象科普之后，本人也已經開始不耐煩，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，整個框架代碼，重構了十幾次之后，才終于滿意。支持給基本類型添加接口，好比int，char，const char*，double；支持泛型，好比vector，list；支持繼承，基類實現的接口，表示子類也繼承了對該接口的實現，而且子類也可以拒絕基類的接口，好比鴨子拒絕基類鳥類“會飛”，編譯時報錯；支持接口組合；……，但是，這里僅僅簡單介紹其原理，并不涉及C++中各種變態細節的處理，C++中，但凡是要正兒八經的稍微做點正事，就要面臨無窮無盡的細節糾結。

先看看其使用例子：

1、自然是定義一個接口：取之于真實代碼片段

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

2、接口的實現類，假設為int添加IFormatble的接口實現，實際代碼肯定不會這樣對一個一個的基本類型來寫實現類的代碼。這里只是為了舉例說明。類的名字就隨便起好啦，

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

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

這里的關鍵是，實現類的字段被規定死了，最多只能包含3個指針成員字段，且第1個字段一定是目的類型指針，第二是類型信息對象（用于泛型），第三是額外參數，次序不能亂。成員字段如果不需要用到第二第三個成員字段數據，可以省略不寫，好比這里。所有接口實現類必須遵守這樣的內存布局；

3、裝配，將接口的實現類裝配到現有的類上，以告訴編譯器該類對于某個接口（這里為IFormatble）的實現，用的是第2步的實現類ImpIntIFormatble；

PPInterfaceOf(IFormatble, int, ImpIntIFormatble)


4、將實現類注冊到類型信息的接口實現列表中，這一步可以省略，只是為了運行時的接口查詢，相當于IUnknown的Query。這一行代碼是在全局對象的構造函數中執行的，放在cpp源文件中

RegisterInterfaceImp<IFormatble, int>();

然后就可以開開心心地使用接口了，比如

      int aa = 20;
      TextWriter stream();
      FormatInfo info();
      TInterface<IFormatble> formatable(aa); //TInterface這個名字過難看，也沒辦法了
      formatable->Format(stream, info);
      double dd = 3.14;
      formatable = TInterface<IFormatble>(dd);  //假設double也實現IFormatble
      formatable->Format(stream, info);

是否有點神奇呢？其實也沒什么，不過就是在trait和內存布局上做文章，也就只是用了類型運算的伎倆。考察ImpIntIFormatble的內存布局，對于普遍的c++編譯器來說，對象的虛函數表指針（如果存在的話），都放在對象的起始地址上，后面緊跟對象本身的成員數據字段，因此，ImpIntIFormatble的內存布局相當于，

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

注意，這里已經沒有繼承了。這就是，實現了IFormatble 接口的ImpIntIFormatble對象的內存表示。因此，可以想象，所有的接口實現類的內存布局都強制規定為以下形式：

  struct InterfaceLayout
  {
    const void* mVtbl;
    const void* mThis;      //對象本身
    const TypeInfo* mTypeInfo;  //類型信息
    const void* mParam;  //補充參數，一般很少用到
  };

當然，如果編譯器的虛函數表指針不放在對象起始地址的話，就沒法這么玩了，那么非侵入式接口也無從做起。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;
    }
    
  };

不管怎么說都好，TInterface對象的內存布局與接口實現類的內存布局一致。因此操作符->重載函數才可以粗暴的類型轉換來順利完成。然后構造TInterface對象的時候就是強制獲取ImpIntIFormatble對象的虛函數表（也就是其起始地址的指針數據）指針賦值給InterfaceLayout的mVtbl，進而依次把實際對象的指針放在mThis上，獲取到類型信息對象放在mTypeInfo中，如果有必要搭理mParam，也相應地賦值。

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

由于c++的abi沒有統一標準，并且，c++標準也沒有規定編譯器必須用虛函數表來實現多態，所以，這里的奇技淫巧并不能保證在所有平臺上都能夠成立，但是，非侵入式接口真是方便，已經是本座寫c++代碼的核心工具，一切都圍繞著非侵入式接口來展開。

原本打算長篇大論，也只有草草收場。之后，本座就解放了，會暫時離開cppblog很久，計劃中的內容，消息發送，虛模板函數，字符串，輸入輸出，格式化，序列化， locale，全局變量，模板表達式，組合子解析器，allocator，智能指針，程序運行時，抽象工廠訪問者等模式的另類實現，以求從全新的角度上來表現C++的強大，也只能中斷了。