Qt and C++ Reflection，利用Qt简化C++的反射实现

如何在C++中实现反射机制，应该算是C++开发中经常遇到的问题之一。C++程序没有完整的元数据，也就无法实现原生的反射机制。从性能的角度讲，这样的设计不难理解，毕竟在运行时储存这些元数据需要额外的开销。不为你不使用的东西付出代价，这是C++的哲学，所以当我们需要反射机制时，我们得自己来实现它。所幸如今各种C++的反射实现已经相当成熟，比如boost::reflect，以及本文所使用的Qt。

Qt是常见的C++跨平台应用程序框架之一，除了用于开发GUI程序之外，Qt本身也是一套完整的C++库。不同于boost这样的模板库，Qt利用自带的Meta-Object Compiler（moc）来生成额外的C++代码，这些代码实现了Qt程序所必须的元数据对象。Qt中很多特有的机制，比如signals/slots，都依赖于Qt的元数据对象，可以说Qt是基于C++的一种扩展。以下我们来看两个例子，一个使用了Qt元数据对象，另一个则不使用，同样实现函数的动态调用。

首先我们来看如何使用Qt的元数据对象，我们定义了一个Service类，用来存取配置信息。首先来看头文件service.h：

#ifndef SERVICE_H
#define SERVICE_H

#include <QObject>
#include <QString>
#include <QVariantMap>

class Service : public QObject
{
    Q_OBJECT

public:
    QVariantMap process(const QVariantMap &request);

private:
    // request:
    //   "cmd"   : "set_config"
    //   "key"   : keyname
    //   "value" : QVariant
    // reply:
    //   "error" : error message
    Q_INVOKABLE QVariantMap process_set_config(const QVariantMap &request);

    // request:
    //   "cmd"   : "get_config"
    //   "key"   : keyname
    // reply:
    //   "error" : error message
    //   "value" : QVariant
    Q_INVOKABLE QVariantMap process_get_config(const QVariantMap &request);

    // request:
    //   "cmd"   : "get_json"
    // reply:
    //   "error" : error message
    //   "json"  : utf8 json
    Q_INVOKABLE QVariantMap process_get_json(const QVariantMap &request);

    // "key1" : QVariant
    // "key2" : QVariant
    // ...
    QVariantMap m_settings;
};

#endif // SERVICE_H

这个类很简单，对外提供一个public的process函数，这个函数接受一个QVariantMap作为request，并返回一个QVariantMap作为reply。QVariantMap等于QMap<QString, QVariant>，我们用它作为万能参数。Service类内部有多个private函数，都以process开头，用来处理不同的request。我们接下来演示如何根据输入的request动态调用这些处理函数。

我们注意到Service类继承自QObject，并在类开头声明了Q_OBJECT宏。有了这个宏，moc会自动生成moc_service.cpp，Qt开发者对此应该很熟悉了，这里不再赘述。注意类中的几个处理函数之前都添加了Q_INVOKABLE宏，Qt会自动将这些函数注册到元数据对象中。如果不使用Q_INVOKABLE宏，我们也可以将这些处理函数声明为slots。除此之外，普通成员函数是无法被元数据对象调用的。

再看service.cpp：

#include "service.h"
#include <QtCore>

QVariantMap Service::process(const QVariantMap &request)
{
    QVariantMap reply;

    QString cmd = request["cmd"].toString();
    if (cmd.isEmpty())
    {
        reply["error"] = "invalid command";
        return reply;
    }

    QString methodName = QString("process_%1").arg(cmd);
    bool bret = metaObject()->invokeMethod(this,
                                           methodName.toLatin1(),
                                           Q_RETURN_ARG(QVariantMap, reply),
                                           Q_ARG(QVariantMap, request) );
    if (bret)
    {
        // printf("\nProcess finished.\n");
    }
    else
    {
        reply["error"] = "no available method";
    }
    return reply;
}

QVariantMap Service::process_set_config(const QVariantMap &request)
{
    QVariantMap reply;
    reply["error"] = "success";

    QString keyname = request["key"].toString();
    if (keyname.isEmpty())
    {
        reply["error"] = "invalid keyname";
        return reply;
    }

    m_settings[keyname] = request["value"];
    return reply;
}

QVariantMap Service::process_get_config(const QVariantMap &request)
{
    QVariantMap reply;
    reply["error"] = "success";

    QString keyname = request["key"].toString();
    if (keyname.isEmpty())
    {
        reply["error"] = "invalid keyname";
        return reply;
    }

    if (m_settings.contains(keyname))
    {
        reply["value"] = m_settings[keyname];
        return reply;
    }

    reply["error"] = "key not found";
    return reply;
}

QVariantMap Service::process_get_json(const QVariantMap &)
{
    QVariantMap reply;
    reply["error"] = "success";

    QJsonObject jObj = QJsonObject::fromVariantMap(m_settings);
    QJsonDocument jDoc(jObj);

    reply["json"] = jDoc.toJson();
    return reply;
}

可以看到process函数通过request["cmd"]得到request command，再在command之前加上"process_"前缀得到处理函数的名字。比如command为"set_config"，则相应的处理函数名为"process_set_config"。之后程序再通过QMetaObject::invokeMethod来调用对应的处理函数。代码中methodName.toLatin1()是将Unicode的QString字符串转换为ASCII编码的C字符串。

之前我们利用Q_INVOKABLE宏将处理函数注册到元数据对象中，使得我们可以透过函数名来调用这些处理函数。函数的参数和返回值分别用Q_ARG和Q_RETURN_ARG宏进行了包装。最后看main.cpp：

#include "service.h"

#include <QtCore>

int main()
{
    Service service;
    QTextStream os(stdout);

    QVariantMap request1;
    request1["cmd"] = "set_config";
    request1["key"] = "search-engine";
    request1["value"] = "www.google.com";
    service.process(request1);

    QVariantMap request2;
    request2["cmd"] = "set_config";
    request2["key"] = "proxy";
    request2["value"] = "192.168.100.1";
    service.process(request2);

    QVariantMap request3;
    request3["cmd"] = "get_config";
    request3["key"] = "proxy";
    QVariantMap reply3 = service.process(request3);
    os << "\nproxy: " << reply3["value"].toString() << endl;

    QVariantMap request4;
    request4["cmd"] = "get_json";
    QVariantMap reply4 = service.process(request4);
    os << "\njson:\n" << reply4["json"].toByteArray() << endl;

    return ;
}

程序本身并没有直接调用处理函数，而是根据输入的request command得到处理函数的名字，再利用元数据对象调用真正的处理函数。这样如果需要添加对新的request command的支持，我们只需要编写新的处理函数，而现有的程序逻辑则无需修改。

程序运行结果：

proxy: 192.168.100.1

json:
{
    "proxy" : "192.168.100.1",
    "search-engine": "www.google.com"
}

以上是利用Qt实现C++反射的一个简单例子，使用了Qt元数据对象。Qt元数据对象需要moc生成额外的C++代码，我们再来看如何不使用元数据对象实现C++反射。

同样是Service这个类，我们来看头文件service.h：

#ifndef SERVICE_H
#define SERVICE_H

#include <QObject>
#include <QVariantMap>

class Service : public QObject
{
public:
    Service();
    QVariantMap process(const QVariantMap &request);

private:
    // request:
    //   "cmd"   : "set_config"
    //   "key"   : keyname
    //   "value" : QVariant
    // reply:
    //   "error" : error message
    QVariantMap process_set_config(const QVariantMap &);

    // request:
    //   "cmd"   : "get_config"
    //   "key"   : keyname
    // reply:
    //   "error" : error message
    //   "value" : QVariant
    QVariantMap process_get_config(const QVariantMap &);

    // request:
    //   "cmd"   : "get_json"
    // reply:
    //   "error" : error message
    //   "json"  : utf8 json
    QVariantMap process_get_json(const QVariantMap &);

    // "key1" : QVariant
    // "key2" : QVariant
    // ...
    QVariantMap m_settings;
};

#endif // SERVICE_H

和之前的例子基本一样，但是没有声明Q_OBJECT宏，没有这个宏，Qt就不会用moc生成moc_service.cpp。本例无需再为处理函数加上Q_INVOKABLE宏。为了管理这些处理函数，我们需要额外定义一个模板类。来看handler.h：

#ifndef HANDLER_H
#define HANDLER_H

#include <QObject>
#include <QString>
#include <QVariantMap>

template <typename _type>
class EventHandler : public QObject
{
public:
    typedef QVariantMap (_type::*HandlerFuncType)(const QVariantMap &);

    // always use this function to register new handler objects
    // this function will check if all parameters are valid or not
    static bool AddHandler(QObject *parent, const QString &name, EventHandler<_type>::HandlerFuncType function) {
        if (!parent || !function || name.isEmpty())
            return false;
        EventHandler<_type> *handler = new EventHandler<_type>(name, function);
        if (!handler)
            return false;
        handler->setParent(parent); // event handler objects are automatically deleted when their parent is deleted
        return true;
    }

    EventHandler<_type>::HandlerFuncType function() const { return m_function; }

private:
    // disable public constructor
    EventHandler(const QString &name, EventHandler<_type>::HandlerFuncType function) : m_function(function) { this->setObjectName(name); }

    EventHandler<_type>::HandlerFuncType m_function;
};

#endif // HANDLER_H

EventHandler继承自QObject类，QObject拥有children属性，一个QObject对象可以有多个QObject对象作为自己的children，代码中handler->setParent(parent)正是将EventHandler对象设为parent对象的child。在Qt中我们可以很方便地管理QObject对象，每一个对象都有自己的名字，使得我们可以透过名字找到对应的对象。每一个EventHandler对象都有一个指向特定成员函数的指针。调用function方法将返回该函数指针的值。

再看Service类的实现service.cpp：

#include "service.h"
#include "handler.h"

#include <QtCore>

typedef EventHandler<Service> ServiceHandler;
#define AddServiceHandler(parent, func) ServiceHandler::AddHandler(parent, #func, &Service::func)

Service::Service()
{
    AddServiceHandler(this, process_set_config);
    AddServiceHandler(this, process_get_config);
    AddServiceHandler(this, process_get_json);
}

QVariantMap Service::process(const QVariantMap &request)
{
    QVariantMap reply;

    QString cmd = request["cmd"].toString();
    if (cmd.isEmpty())
    {
        reply["error"] = "invalid command";
        return reply;
    }

    QString handlerName = QString("process_%1").arg(cmd);
    ServiceHandler *handler = this->findChild<ServiceHandler *>(handlerName, Qt::FindDirectChildrenOnly);
    if (!handler)
    {
        reply["error"] = "no available handler";
        return reply;
    }

    return ((*this).*(handler->function()))(request);
}

QVariantMap Service::process_set_config(const QVariantMap &request)
{
    QVariantMap reply;
    reply["error"] = "success";

    QString keyname = request["key"].toString();
    if (keyname.isEmpty())
    {
        reply["error"] = "invalid keyname";
        return reply;
    }

    m_settings[keyname] = request["value"];
    return reply;
}

QVariantMap Service::process_get_config(const QVariantMap &request)
{
    QVariantMap reply;
    reply["error"] = "success";

    QString keyname = request["key"].toString();
    if (keyname.isEmpty())
    {
        reply["error"] = "invalid keyname";
        return reply;
    }

    if (m_settings.contains(keyname))
    {
        reply["value"] = m_settings[keyname];
        return reply;
    }

    reply["error"] = "key not found";
    return reply;
}

QVariantMap Service::process_get_json(const QVariantMap &)
{
    QVariantMap reply;
    reply["error"] = "success";

    QJsonObject jObj = QJsonObject::fromVariantMap(m_settings);
    QJsonDocument jDoc(jObj);

    reply["json"] = jDoc.toJson();
    return reply;
}

不同于利用Qt元数据对象，现在我们需要在构造函数中手动添加所有的处理函数，当一个QObject对象析构时，它所有的children都会自动被释放，所以我们无需显式地delete这些EventHandler对象。在process函数中，通过QObject::findChild这个函数，我们能获得handlerName对应的EventHandler对象，再通过EventHandler对象中的函数指针访问真正的处理函数。

相比上一个例子利用Qt元数据对象，在本例中我们可以手动注册一个方法的别名，比如将Service类的构造函数改为如下：

Service::Service()
{
    AddServiceHandler(this, process_set_config);
    AddServiceHandler(this, process_get_config);
    AddServiceHandler(this, process_get_json);
    ServiceHandler::AddHandler(this, "process_set_setting", &Service::process_set_config);
    ServiceHandler::AddHandler(this, "process_get_setting", &Service::process_get_config);
}

我们分别为Service::process_set_config和Service::process_get_config处理函数添加了别名process_set_setting和process_get_setting，之后可以用set_setting和get_setting两个命令进行调用。我们稍微修改main.cpp：

#include "service.h"

#include <QtCore>
#include <cstdio>

int main()
{
    Service service;
    QTextStream os(stdout);

    QVariantMap request1;
    request1["cmd"] = "set_setting";
    request1["key"] = "search-engine";
    request1["value"] = "www.google.com";
    service.process(request1);

    QVariantMap request2;
    request2["cmd"] = "set_config";
    request2["key"] = "proxy";
    request2["value"] = "192.168.100.1";
    service.process(request2);

    QVariantMap request3;
    request3["cmd"] = "get_setting";
    request3["key"] = "proxy";
    QVariantMap reply3 = service.process(request3);
    os << "\nproxy: " << reply3["value"].toString() << endl;

    QVariantMap request4;
    request4["cmd"] = "get_json";
    QVariantMap reply4 = service.process(request4);
    os << "\njson:\n" << reply4["json"].toByteArray() << endl;

    return ;
}

对比第一个例子，这里将request1改为set_setiing，request3改为get_setting，运行结果仍然是一样的：

proxy: 192.168.100.1

json:
{
    "proxy": "192.168.100.1",
    "search-engine": "www.google.com"
}

以上是利用Qt实现C++反射的两个例子，两个例子都实现了通过函数名动态调用处理函数。不难看出，为了动态调用处理函数，我们需要建立函数名和函数对应关系，而利用Qt的特性则简化了这一过程，使我们无需编写复杂的代码。