C++ 反射：通识

C++中的产生式元编程

元编程在C++已有几十年的历史，一般来说，我们是指编译期的编程。

产生式元编程，则侧重于强调「产生代码的代码」这种编程方式。

C++提供了许多生成代码的特性，如图所示。

宏虽然只是C中的一个简单替换的工具，却也具有强大的产生代码的能力。过去的文章多次使用它来简化重复的工作，想必大家并不陌生。

模板作为C++元编程的工具，可以完成泛型编程「抽象化」的工作，借其可实现变量、函数、类的泛化，从而自动产生成百上千行代码。同样，大家对此自然更加熟悉。

Fold Expressions是C++17提供的展开参数包的简便方式，这同样是一种产生代码的特性。见C++17: Simplify Code with Fold Expressions。

Expansion Statements是P1306提出的一种新语句，可以减少遍历时的重复，主要是方便反射遍历用的。这也是一种产生代码的特性，举个遍历tuple的例子，

auto tup = std::make_tuple(0, 'a', 3.14);
template for (auto& elem : tup)
    std::cout << elem << std::endl;

语法起初是for...，后来改为了template for，这代码相当于如下代码：

auto tup = std::make_tuple(0, 'a', 3.14);
{
    auto elem  = std::get<0>(tup);
    std::cout << elem << std::endl;
}
{
    auto elem  = std::get<1>(tup);
    std::cout << elem << std::endl;
}
{
    auto elem  = std::get<2>(tup);
    std::cout << elem << std::endl;
}

该提案由于时间原因没能进入C++20，之后三年没动静，最近CWG进行了review，但是作者一直没有更新论文，也没能进入C++23。似乎放弃了？（https://github.com/cplusplus/papers/issues/156）

虽然已经拥有这么多生成代码的特性，但是我们依旧无法轻易完成像序列化、ORM、远程调用、schema generation等等需求。因为C++缺少获取类型元信息的机制，所以无法获取像类型的参数列表、成员类型、成员名称等等这些信息。

缺少的就是反射的机制，这是一种产生代码更加强大的能力。

C++早已成立了专门的小组SG7来负责反射的研究工作，近些年也算是取得了一些发展，最快也许C++26可以加入。

反射的相关概念

本节简单地说下反射相关的概念，以建立共识。

首先给大家介绍两个词：reflection和reification。

反射一般包含两个部分，获取和构建，如图所示：

获取指的是从类型得到「类型元信息」，元信息要比类型高一层，所以是「自下而上」的结构。也就是说，这是一种从具体到抽象的结构，这个步骤就称为reflection。

而构建指的是从「类型元信息」再次得到类型，这是「自上而下」的结构，因此它是从抽象到具体，这个完全相反的步骤就称为reification。

接着，再向大家介绍一个词：Introspection。

简而言之，这指的是询问某个类型是否具有什么东西的特性。比如，查询一个类型是否派生自另一个类型，是否具有get_data()成员函数，是否拥有data属性，是否能转换成另一个类型，诸如此类。

这个特性就是反射能力的一部分，其实C++通过type traits和Concepts已经提供许多相关能力了。

C++缺少的是类型遍历的能力，有了这种能力，就能够遍历出类的模板参数、成员类型和函数列表这些信息，再通过Introspection便可操纵某些具体的变量或函数，自动产生其他版本的类。

到此，本节就先介绍这几个比较大的概念。

C++中的反射

反射分为动态反射和静态反射，动态反射就是运行期的反射，静态反射就是编译期的反射。

C++的反射是静态反射，第一个Reflection TS基于N4766。当时还是基于类型来表示反射信息，举个例子：

template <typename T>
std::string get_type_name() {
    namespace reflect = std::experimental::reflect;
    // T_t is an Alias reflecting T:
    using T_t = reflexpr(T);
    // aliased_T_t is a Type reflecting the type for which T is a synonym:
    using aliased_T_t = reflect::get_aliased_t<T_t>;
    return reflect::get_name_v<aliased_T_t>;
}
std::cout << get_type_name<std::string>(); // outputs basic_string

看不懂也没关系，因为早就废弃这种方式了。

这种方式是为了简化和模板元的结合，然而出于多方面考虑，SG7转而支持value-based reflection，也就是现在的反射。为此，C++20提供了许多扩展特性来支持反射的设计，例如consteval function，std::is_constant_evaluated()，constexpr dynamic allocation。

新式的反射语法，举个例子：

#include <meta>
template<Enum T>
std::string to_string(T value) {
    template for (constexpr auto e : std::meta::members_of(^T)) {
        if([:e:] == value) {
            return std::string(std::meta::name_of(e));
        }
    }
    return "<unnamed>";
}

这段代码是要以string形式输出枚举类型的值。

获取类型元信息的操作符是"^ operator"，读作lifting operator，意思就是向上获取类型的元信息。这对应上一节介绍的reflection这个词。（reflection操作的原本语法是reflexpr()，太重更换了）

通过std::meta::members_of()便可通过类型元信息获取到枚举类型的所有成员，以std::span返回。

如何遍历返回的结果呢？就用到了前面介绍的expansion statements，也就是代码中的template for。

那么如何再把类型reification出来呢？语法就是[: reflection :]，这个称为splice construct。C++把这个过程称为splicing，它和reification指的是一个东西。

通过比较枚举值，相同则使用std::meta::name_of()返回枚举值的名称，以std::string_view返回。

上面的例子很简洁的说明了C++反射的用法，贯穿了上节介绍的概念，可以让大家先对反射有个大体的理解。

 百花齐放

C++反射进入标准的速度如此慢，导致在过去这么多年，已经产生了许多用户自己实现反射的办法。

这大体可以分为三个阶段，如图所示。

首先来说T0阶段。

因为没有类型元信息机制，这些实作手法往往需要自己「保存」类型信息，然后再根据保存的内容「获取」相关的反射信息。

这些实现手法在编译期完成这些「保存」工作，就属于静态反射，反之则是动态反射。

不论如何，这些实现使用起来都有不少束缚，比如需要用户手动注册类型信息、不支持有些Introspection、操作繁琐等等。

其次来说T1阶段，这些实现不需要用户手动注册类型信息。

第一种方式是采用TMP的一些技巧，保存类型的一些信息，使用起来比较方便，但局限不小，比如无法获取成员的名字。

第二种方式比较高大上，它通过提供特殊的编译器来提供类型元信息，也就是自己实现一套内置的反射系统。这种方式的反射特性比较完整，使用起来很方便，功能很强大，但是这些扩展换个编译器就无法编译，相当于是没有达成标准的野路子。

最后是T2阶段，也就是C++标准的反射。

前面已经介绍过，故不再赘述。需要注意的是，这里Reflection TS强调的是目前编译期支持的标准反射，而Valued-based reflection强调的是最新的反射。

总结

如题所言，本篇是讲反射「通识」。 

因此不会太涉及细节，目的是先从大的方向上让大家对C++反射有个整体的了解。

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