通过PDB文件实现非嵌入式的c++反射

上一篇blog我阐述了一种实现非嵌入式的反射的基本思路。相比于通过宏和模板实现，这种非嵌入的反射的优点是不需要写额外的代码来记录meta信息。

首先，为了在c++中实现反射系统，我认为需要解决以下两个问题：

（1）根据一个给定符号，获取符号对应的地址信息。

（2）根据地址信息，能够对其进行相应操作。

对（2）需要再说明的是：为了能够对地址指向的对象进行操作，需要一些用于描述这个对象的最基本信息（比如对象的类型），而这些信息就是对象的meta信息。有了meta信息，我们才能正确的操作对象。

 

不同类型的对象的meta信息应该是不同的：

（1）对于简单的数据成员（int、double、struct等），meta信息应该包括数据所占内存的布局。通过内存布局和内存地址，我们可以对其进行get/set操作。

（2）对于函数，meta信息应该有调用惯例（Calling Conventions）、参数、返回值等信息。通过这些信息我们能对函数进行调用操作。

（3）对于类，meta信息可以认为是前两种的组合。应该包含方法表（函数集合）和数据成员集合。

暂时不考虑剩余的其他类型，如模板、宏等。

 

我以此实现了一个反射系统的demo。基本做法是，通过windows的dia（Debug Interface Access）api读取程序的PDB文件。以此来获得一个符号的地址信息，以及这个符号的基本meta信息。这样可以做到根据一个地址，对数据进行读写的操作。但是对函数来说似乎还不够。为了成功调用函数，我们还需要根据函数的调用惯例，正确的把参数入栈、并从指定位置获取返回值等。libffi就是专门干这事的，但是可惜的是它并不支持msvc:-(

不过好在我熟悉python，知道python也有ctype这个模块来处理ffi（Foreign Function Interface）。把它的源码稍作剪裁应该就可以拿来用了。这部分工作挺顺利的，浏览了一下ctype的实现，发现只需要改非常少的几处即可。cpython的libffi_msvc在此处：D

 

目前demo功能比较简陋，只实现了对数据对象的get/set，以及调用全局的函数。不过对于其他复杂的对象的反射，基本上参考这两个功能就可以轻松的实现了。

具体的使用如下代码所示：

 

1、加载程序对应的PDB文件

CReflMgr refl_mgr;

//从PDB文件加载反射信息
refl_mgr.LoadDataFromFile(g_wszPdbFileName);

 

2、对基本数据的get/set

//get instance data member
CReflObject *refl_obj_bar_c;
refl_mgr.GetReflObjectFromParent(refl_obj_bar, L"c", &refl_obj_bar_c);

CReflValue refl_val_bar_c;
refl_mgr.GetClassInstDataMember(&bar, refl_obj_bar_c, &refl_val_bar_c);
printf("%d\n", refl_val_bar_c.m_Data.m_I8);

//set instance data member
CReflObject *refl_obj_bar_i;
refl_mgr.GetReflObjectFromParent(refl_obj_bar, L"i", &refl_obj_bar_i);

CReflValue refl_val_bar_i;
refl_val_bar_i.m_Data.m_I32 = 1024;
refl_mgr.SetClassInstDataMember(&bar, refl_obj_bar_i, &refl_val_bar_i);
printf("%d\n", bar.i);

 

3、调用函数

//函数
CReflObject *refl_obj_func1;
refl_mgr.GetReflObjectFromGlobal(L"TestCallFunc1", &refl_obj_func1);
refl_mgr.PrintReflObject(refl_obj_func1);

std::vector<ffi_obj> vargs;

ffi_obj arg1;
arg1.type = ffi_type_sint32;
arg1.value.i32 = 2014;
vargs.push_back(arg1);

ffi_obj arg2;
arg2.type = ffi_type_pointer;
arg2.value.p = (void*)"hello world";
vargs.push_back(arg2);

ffi_obj ret;
ret.type = ffi_type_void;

refl_mgr.CallReflObject(refl_obj_func1, vargs, ret);

 

当然demo是不完整的，目前我认为还有就几个未解决的比较重要的问题是：

（1）处理对函数的不正确的调用。比如传入了错误的参数、返回值类型指定错了等。这部分cpython的libffi_msvc也没有做好，它做的仅仅是在windows下检测函数调用前后堆栈寄存器的位置是否一致，详见此处。但是仅有这个检测是不够的，它并不能有效的防止崩溃问题。我认为最好能做到能对参数、返回值进行类型检查，如果发现错误能打印错误，并且不进行函数的调用操作。

（2）如何在linux gcc环境下实现。

 

参考资料：

1、Reflection in C++ - a teaser