yaLanTingLibs 是阿里云开源的现代 C++ 基础工具库的集合，包括序列化、http、rpc、协程、编译期反射、metric 和日志等库，可以帮助 C++ 开发者快速构建高性能的 C++ 应用。2024 云栖大会操作系统技术 Workshop 上，阿里云智能集团高级技术专家、purecpp社区负责人、《深入应用C++11》作者祁宇分享了《深入应用C++20编译期反射》，本文将重点介绍 yaLanTingLibs 编译期反射库，通过一些案例介绍其应用场景、功能和特色，以及如何将它用于实际开发。
本文的例子推荐安装龙蜥操作系统的 Alibaba Cloud Compiler 编译器编译，安装方法见链接：链接
（图/阿里云智能集团高级技术专家、purecpp社区负责人、《深入应用C++11》作者祁宇）
1. 编译期反射一个对象
首先，从一个简单的例子开始：
struct simple { int color; int id; std::string str; int age; }; int main() { using namespace ylt::reflection; // 编译期获取simple 字段个数 static_assert(member_count_v<simple> == 4); // 编译期获取simple 类型的名称 static_assert(get_struct_name<simple>() == "simple"); // 编译期获取simple 字段名称列表 static_assert(get_member_names<simple>() == std::array<std::string_view, 4>{"color", "id", "str", "age"}); // 根据类型遍历其字段名和索引 for_each<simple>([](std::string_view field_name) { std::cout << field_name << "\n"; }); for_each<simple>([](std::string_view field_name, size_t index) { std::cout << index << ", " << field_name << "\n"; }); }
除了获取这些最基本的对象元数据的 API 之外，ylt::reflection 还提供了更多有用的 API：
int main() { simple p{.color = 2, .id = 10, .str = "hello reflection", .age = 6}; // 通过编译期索引获取字段值 CHECK(std::get<0>(p) == 2); CHECK(std::get<2>(p) == "hello reflection"); // 根据编译期索引获取字段名 static_assert(name_of<simple, 1>()== "id"); // 根据编译期字段名获取字段值 CHECK(get<"age"_ylts>(p) == 6); CHECK(get<"str"_ylts>(p) == "hello reflection"); // 根据编译期字段名获取字段索引 static_assert(index_of<simple2, "str"_ylts>() == 2); // 遍历对象的字段、字段名、字段索引, 并打印 for_each(p, [](auto& field, auto name, auto index) { std::cout << field << ", " << name << ", " << index << "\n"; }); // 访问对象的所有字段值 visit_members(p, [](auto&&... args) { ((std::cout << args << " "), ...); std::cout << "\n"; }); }
有了这些编译期反射的 API 之后就可以做一些有趣的事了，比如做序列化，理论上可以通过编译期反射将一个对象序列化到任意格式。事实上 yalantinglibs 也是这样做的，通过统一的编译期反射 API 将对象转换为 json，xml，yaml，protobuf 等格式。
2. 基于编译期反射的序列化
基于 yalantinglibs 反射库可以非侵入式的将一个对象序列化到多种数据格式，也可以扩展支持自定义的格式。
struct simple { int color; int id; std::string str; int age; }; int main() { simple p{.color = 2, .id = 10, .str = "hello reflection", .age = 6}; std::string json; struct_json::to_json(p, json); std::string xml; struct_xml::to_xml(p, xml); std::string yaml; struct_yaml::to_yaml(p, yaml); std::string protobuf; struct_pb::to_pb(p, protobuf); simple p1; struct_json::from_json(p1, json); struct_xml::from_xml(p1, xml); struct_yaml::from_yaml(p1, xml); struct_pb::from_pb(p1, xml); }
3. 使用yalantinglibs reflection库实现自定义格式的序列化
使用 yalantinglibs reflection 库可以很方便的将对象序列化到自定义格式，比如将一个对象序列化成一个简单的 json5 格式，json5 的 key 是没有引号的。
只需要通过反射 API for_each 拿到对象的字段值和字段名就够了。
struct point { int x; int y; }; void test_json5() { point pt{2, 4}; std::string json5; json5.append("{"); ylt::reflection::for_each(pt, [&](auto& field, auto name) { json5.append(name).append(":").append(std::to_string(field)).append(","); }); json5.back() = '}'; CHECK(json5 == "{x:2,y:4}"); }
4. 低版本编译器的支持
上述中的 example 只能在 C++20 高版本编译器(clang13+, gcc11+, msvc2022)中才能编译运行。如果编译器版本较低只支持 C++17 能用 yalantinglibs 的反射库吗？
答案也是肯定的，yalantinglibs 的反射库兼容了 C++17，支持的最低版本是 gcc9，不过需要宏定义一个额外的宏才能使用反射 API(C++20 高版本编译器中是不需宏的)，比如之前的例子：
struct simple { int color; int id; std::string str; int age; }; YLT_REFL(simple, color, id, str, age); int main() { using namespace ylt::reflection; // 编译期获取simple 字段个数 static_assert(member_count_v<simple> == 4); // 编译期获取simple 类型的名称 static_assert(get_struct_name<simple>() == "simple"); // 编译期获取simple 字段名称列表 static_assert(get_member_names<simple>() == std::array<std::string_view, 4>{"color", "id", "str", "age"}); // 根据类型遍历其字段名和索引 for_each<simple>([](std::string_view field_name, size_t index) { std::cout << index << ", " << field_name << "\n"; }); }
定义了 YLT_REFL 宏之后就可以使用反射的 API 了，如果对象的字段都是私有的，则需要将宏定义到对象内部：
struct simple { YLT_REFL(simple, color, id, str, age); private: int color; int id; std::string str; int age; };
这种方式可以反射私有字段但有侵入性，如果对象有 public 的访问私有字段的方法也可做到非侵入式：
struct dummy_t5 { private: int id = 42; std::string name = "tom"; int age = 20; public: int& get_id() { return id; } std::string& get_name() { return name; } int& get_age() { return age; } const int& get_id() const { return id; } const std::string& get_name() const { return name; } const int& get_age() const { return age; } }; YLT_REFL(dummy_t5, get_id(), get_name(), get_age());
如果对象字段都是私有的，并且没有提供 public 的访问方法还能反射吗？也是可以的，可以通过 yalantinglibs reflection 另外一个宏 YLT_REFL_PRIVATE 非侵入式的反射对象的私有字段：
class private_struct { int a; int b; public: private_struct(int x, int y) : a(x), b(y) {} }; YLT_REFL_PRIVATE(private_struct, a, b);
现在就可以反射对象的私有字段了：
private_struct st(2, 4); for_each(st, [](auto& field, auto name, auto index){ std::cout << field << ", " << name << ", " << index << "\n"; }); visit_members(st, [](auto&... args) { ((std::cout << args << " "), ...); std::cout << "\n"; });
5. 总结
编译期反射的应用场景很广泛，非常适合用在序列化场景、ORM（实体-映射）场景、非侵入式访问对象等场景，yalantinglibs 的反射库在支持 C++20 的同时也兼容了 C++17，不论是低版本编译器还是高版本编译器，或者对象存在私有字段等场景，都能使用统一的一套易用的 API。
—— 完 ——