C語言簡單反射機制的設計與實現探討

【關鍵詞】反射機制；元信息；抽象；數據結構圖

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、檢測和修改它本身狀態或行為的一種能力。

編程語言反射機制[1]可以自動生成元信息，依賴這些元信息，程序可以動態地訪問、檢測，以及修改對象。反射機制有著廣泛應用[2]，例如：持久化、配置文件導入導出，以及框架開發[3]等等，是一種既靈活又強大的編程語言特性。

二、元信息設計

元信息，也稱為元數據，是描述數據的數據，它提供了關于數據的基本屬性和特征的信息。元信息在計算機領域有著廣泛的應用，例如：文件系統中，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、創建日期，以及修改日期等，這些元信息有助于文件系統更好地管理文件；數據庫中，元信息用于描述表的結構、類型，以及約束等信息，幫助數據庫更好地管理數據。總之，元信息是一種非常重要的數據資源，它提供了關于數據的基本信息和特征，有助于我們更好地管理和理解數據。

元信息在反射機制中扮演著至關重要的角色，它是反射機制得以有效運作的核心要素。反射機制允許程序在運行時獲取和操作對象的信息，完全是基于元信息實現的。元信息通常包括關于對象的類型、結構、屬性和方法等各方面的詳細描述，通過反射機制，程序可以查詢這些元信息，從而了解對象的內部狀態和行為；同時使得程序能夠在運行時動態地修改對象的狀態、調用方法或

軟件開發中，存在一種如圖1所示的關系，結構體是現實的抽象，元信息是結構體的抽象，最后元信息又是自身的抽象。

C語言支持對現實的抽象，一般使用結構體，推廣到其他類型亦可。C語言提供完備的類型系統，包括：整型、浮點、結構體、數組、指針、枚舉，以及聯合體等類型，并且允許數據結構彼此以嵌套、鏈接，以及遞歸等方式組合。

基于C語言類型系統多樣的組合方式，不僅可以構建樹型數據結構，還可以構建更加復雜的圖狀數據結構。數據結構圖[4]是用來展示數據內部結構的，例如：圖2是list的數據結構圖。以數據結構圖為依據，C語言類型可以分兩類：簡單類型包括整型、浮點、字符，以及枚舉，在數據結構圖中只能是邊界節點，即被箭頭指向，不能作為箭頭起始；復合類型包括結構體、聯合體、數組，以及指針，在圖中可以擔當中間節點，連接箭頭尾部。

以直接或間接實例化成變量為依據，C語言類型可以分成兩類：可直接實例化類型包括整型、浮點、字符、數組，以及指針；間接實例化類型包括結構體、聯合體，以及枚舉，例如結構體類型不能直接實例化成結構體變量，需要實例化成具體結構體，即在代碼中定義結構體，然后再實例化該具體結構體成為變量。

但是C語言抽象鏈表是不完整的，缺失元信息內容，所以不支持反射機制。元信息是結構體的抽象，本質是描述C語言類型的結構體。元信息的設計就是，對描述各類型所需屬性的整理匯總，如下所示：

元信息既是結構體，又是結構體的抽象，這就不難解釋元信息可以抽象自身。

三、使用元信息

反射機制通過提供接口將元信息與程序的實際執行過程相結合。Java常用的反射機制訪問接口，根據不同類型提供不同函數，由調用者選擇，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）

反射機制接口設計原理，是以元信息為地圖，按圖索驥訪問變量，賦值或者獲取變量值。Java反射訪問接口函數繁多，主要因為設計上用不同函數承載不同類型，而Java又具備豐富的類型系統。為了簡化接口，本文采用了輸入輸出參數承載類型的設計策略，對外只提供了getter和setter函數：函數getter輸入參數需要變量地址、字段路徑，以及元信息，輸出請求的值；函數setter輸入參數需要變量地址、字段路徑、元信息，以及要設置的值。由于C語言類型系統同樣豐富，不同類型的值體現不同的特征，若用接口函數的值參數承載類型，值參數同樣需要具備相應的類型系統。本文借用JSON類型系統，直接使用cJSON作為值參數，其中cJSON是應用廣泛的JSON庫。反射機制訪問接口包括三大要素：變量是被賦值和獲取的主體；元信息是變量組織結構信息地圖，根據地圖才能找到待訪問字段；cJSON是設置或者獲取的值，自身包括待訪問字段路徑，本文設計反射機制訪問接口如下：

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語言類型系統與cJSON值類型系統映射關系如下：

四、創建元信息

程序開發過程存在多個維度：開發者維度、代碼維度，以及程序維度。開發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。結構體處于代碼維度，不可進入程序維度，實際上只有變量才可以攜帶數據，并存在于程序維度；因此只有創建了對應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構體，也需要為其創建元信息變量。本文將這些抽象出來的元信息結構體稱為元結構體，是元信息的抽象；把元結構體實例化的變量稱為元變量，是元信息的載體。

將變量補充到抽象鏈圖中，如圖3所示：實例化了結構體的變量，描述現實對象的基本屬性；實例化了抽象結構體的元信息的變量，描述了結構體的基本屬性；實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，阻止了抽象鏈的無限增長。

C語言不支持反射機制，元信息在程序維度不存在，它存在于代碼維度，受開發者維度控制；如何在程序維度獲取元信息，是創建元信息的方法要解決的本質問題。創建元信息，就是創建元變量，可用于創建其他類型變量的方式，都適用于創建元變量；最簡單方式就是直接定義變量，然后開發者負責根據待反射結構體對各個字段進行初始化，整個過程是靜態的，由開發者控制，語言級別沒有提供任何輔助。

本文的簡單反射機制，實現了C語言結構體定義代碼解析器，可以解析結構體定義的字符串，生成相應的元變量；還提供了若干宏接口，簡化創建元信息過程，設計函數和宏如下：

結束語

本文實現的C語言簡單反射機制，可以應用到各種場景，例如：配置文件導入導出、生成監控報表、序列化，以及restful接口實現等；并且極大簡化了其開發難度，例如：配置文件導入導出模塊結構如圖4所示，首先根據配置需求編寫配置結構體，然后為配置結構體創建元變量，接著實例化配置結構體成為配置變量，最后就可以通過getter/setter簡單地實現配置文件導入導出。

本文實現的C語言簡單反射機制，提供了基本的反射功能，具備較廣泛的應用場景。但簡單反射機制還有很多待改進地方，例如：不支持數據結構圖存在回環結構情況；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，但不支持地址操作，而自身只做位數限制。