C++反射

一、概述

C++反射是指程序運行時可以獲取自身的類型信息。這種機制在C++中是不存在的，但是可以通過一些技巧在C++中實現反射。反射的應用場景很廣，比如實現類似Java中的反射機制，動態創建對象、調用對象方法等。

下面介紹C++反射的實現原理和具體實現方法。

二、實現原理

C++的內存布局是按照類的成員定義順序對對象進行內存地址的分配，並且成員變數在內存中的偏移也是固定的。因此，可以通過訪問對象地址和偏移量，來獲取對象的成員變數以及方法。

三、獲取對象的成員變數

下面是一個簡單的例子，展示如何獲取對象的成員變數：

#include <iostream>
#define FIELD(type, name) \
    struct { \
        type name; \
        inline static const char *field_name() { return #name; } \
    }

class Foo {
    public:
        int x;
        float y;
        FIELD(bool, z);
};

int main() {
    Foo obj = { 10, 3.14f, true };
    std::cout << "x = " << *(int*) &obj << std::endl;
    std::cout << "y = " << *(float*) ((char*) &obj + sizeof(int)) << std::endl;

    bool& z = *(bool*) ((char*) &obj + sizeof(int) + sizeof(float));
    std::cout << "z = " << z << " (" << obj.z << ")" << std::endl;
    return 0;
}

上面的代碼中，我們通過定義FIELD宏來實現獲取對象成員變數的信息。其中，宏展開後形成一個匿名的結構體，該結構體包含了對應的類型和成員變數名稱，並且還包含了一個靜態的field_name方法，用於獲取成員變數名稱。在主函數中，我們首先構造了一個Foo對象，並且使用類型轉換的方法獲取對象的成員變數。

四、獲取對象的方法

獲取對象的方法需要使用到C++的虛函數表。C++中每個類都對應一個對應的虛函數表，該表中存放了虛函數的地址。而每個對象的內存布局中都包含了一個指向虛函數表的指針。因此，獲取對象的方法可以通過訪問對象的虛函數表來實現。

下面是一個簡單的例子，展示如何獲取對象的虛函數表：

#include <iostream>
#define METHOD(name, ...) \
    struct { \
        inline static const char *method_name() { return #name; } \
        __VA_ARGS__ \
    } name

class Bar {
    public:
        virtual void foo() { }

        static void static_foo() { }
        void nonvirtual_foo() { }
};

int main() {
    Bar obj;
    uintptr_t *vtable = *(uintptr_t**) &obj;

    typedef void (*fn_t)(void);
    fn_t fn = (fn_t) vtable[0];
    std::cout << "vtable[0] = " << vtable[0] << ", fn() = ";
    fn();

    typedef void (*static_fn_t)(void);
    static_fn_t static_fn = &Bar::static_foo;
    std::cout << "static_fn() = ";
    static_fn();

    typedef void (Bar::*nonvirtual_fn_t)(void);
    nonvirtual_fn_t nonvirtual_fn = &Bar::nonvirtual_foo;
    std::cout << "nonvirtual_fn() = ";
    (obj.*nonvirtual_fn)();

    typedef void (Bar::*fnptr_t)(void);
    fnptr_t fnptr = (fnptr_t) vtable[0];
    std::cout << "fnptr() = ";
    (obj.*fnptr)();

    METHOD(my_method, int x, char y) = { };
    std::cout << "my_method.method_name() = " << my_method.method_name() << std::endl;
    return 0;
}

上面的代碼中，我們通過訪問對象虛函數表來獲取對象的虛函數地址，進而調用對象的虛函數。同時，我們還可以獲取一類非虛函數，例如靜態函數和非虛函數，也可以通過函數指針來實現調用。除此之外，我們還可以定義一個宏METHOD來實現獲取成員函數的信息，宏展開後形成一個匿名的結構體，該結構體包含了對應的參數和方法名稱，並且還包含了一個靜態的method_name方法，用於獲取成員函數名稱。

五、動態創建對象

C++並不支持像Java一樣通過類名來創建對象，但是可以通過一些技巧來實現動態創建對象，核心思想就是將類定義為泛型類，然後在泛型類的實例化方法中動態地生成對象。

下面是一個簡單的例子，展示動態創建對象的方法：

#include <iostream>
#include <string>

template <typename T>
class Class {
    public:
        T* newInstance() {
            return new T();
        }
};

class Foo {
    public:
        Foo() {
            std::cout << "Foo()" << std::endl;
        }
};

int main() {
    Class<Foo> fooClass;
    Foo *foo = fooClass.newInstance();
    return 0;
}

上面的代碼中，我們通過定義一個泛型類Class來實現動態創建對象。其中，Class類包含一個newInstance方法，該方法返回一個動態創建的對象的指針。在主函數中，我們首先構造了一個Class<Foo>對象，然後通過調用newInstance方法來動態創建一個Foo對象。

六、總結

這篇文章介紹了C++反射的實現原理和具體實現方法。通過訪問對象的內存布局、虛函數表等機制，可以實現獲取對象的成員變數和方法信息，以及動態創建對象等操作。