如何优雅地实现C++编译期多态?

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导语 | 前面的文章中我们更多的聚焦在运行期反射,本篇我们将聚焦在一个与反射使用的机制有所类同,但更依赖编译期特性的机制->编译期多态实现。

引言

前面的文章中我们更多的聚焦在运行期反射,本篇我们将聚焦在一个与反射使用的机制有所类同,但更依赖编译期特性的机制->编译期多态实现。

c++最近几版的更新添加了大量的compiler time特性支持,社区轮子的热情又进一步高涨。这几年go与rust等语言也发展壮大,那么,我们能不能在c++中实现类似go interface和rust traits的机制呢?

答案是肯定的,开源社区早已经开始了自己的行动,dyno与folly::poly都已经有了自己的实现。两者的实现思路基本一致,差别主要在于dyno使用了boost::hana和其他一些第三方库来完成整体机制的实现。

而folly::poly出来的晚一些,主要使用c++的新特性来实现相关的功能,依赖比较少,所以本文将更多的以poly的实现来分析编译期多态的整体实现。

一、从c++的运行时多态说起

(一)一个简单的例子

struct Vehicle {
  virtual void accelerate() = 0;
  virtual ~Vechicle() {}
};


struct Car: public Vehicle {
  void accelerate() override;
};


struct Truck: public Vehicle {
  void accelerate() override;  
};

(二)对应的运行时内存结构

如何优雅地实现C++编译期多态?_第1张图片

(三)运行时多态带来的问题


  • 性能问题

大量的文章都提到,因为virtual table的存在,对比纯c的实现,c++运行时多态的使用会付出额外的性能开销。


  • 指针带来的问题

运行时多态一般多配合指针一起使用,这也导致基本相关代码都是配合堆内存来使用的,后续又引入了智能指针缓解堆内存分配导致的额外心智负担,但智能指针的使用本身又带来了其他问题。


  • 侵入性问题

类继承需要强制指定子类的基类,当我们引入第三方库的时候,要么不可避免的需要对其进行修改,要么需要额外的包装类,这些都会带来复杂度的上升和性能的下降。还有一些其他的问题,这里就不再展开了,最近的cppconn多态本身相关的讨论也是一个热点,许多项目开始尝试用自己的方法试图解决运行时多态的问题,感兴趣的可以自行去了解相关的内容。

本部分例子和内容主要来自Louis Dionne的Runtime Polymorphism: Back To The Basics。

二、dyno与poly的实现思路

(一)dyno与poly的目的-编译期多态

dyno想达成的效果其实就是实现编译期多态,如作者所展示的代码片段:

interface Vechicle { void accelerate(); };


namespace lib{
  struct Motorcycle { void accelerate(); };
}
struct Car { void accelerate(); };
struct Truck { void accelerate(); };


int main() {
  std::vector vehicles;
  vehicles.push_back(Car{...});
  vehicles.push_back(Truck{...});
  vehicles.push_back(lib::Motorcycle{...});


  for(auto& vehicle: vehicles) {
    vehicle.accelerate();
  }
}

想法很美好, 但现实是残酷的, 并没有interface存在, 在可预知的一段时间里, 也不会有, 那么如果要自己实现相关的机制, 该如何来达成呢? 我们在下文中先来看一下整体的实现思路.


(二)编译期多态的设计思路

参考前面的运行时多态模型:

如何优雅地实现C++编译期多态?_第2张图片

dyno的思路比较直接,尝试使用两个独立的部分来解决编译期多态的支持问题:

  • Storage policy-负责对象的存储。

  • VTable policy-负责函数分发调用。

folly::Poly的实现思路大量参考了dyno,与dyno一致,也是同样的结构。我们继续以Vechicle举例,假设真的存在Vechicle对象,那么它的组织肯定是如下图所示的:

如何优雅地实现C++编译期多态?_第3张图片

通过这种结构,我们就能正常的访问到Car等具体对象的accelerate()方法了,原理上还是比较简洁的,但是要做到完全的编译期多态,并不是一个简单的事情。接下来我们先来看一个poly的示例代码,先从应用侧了解一下它的使用。


三、poly的示例代码

我们还是以Vechicle为例,给出一段poly的示例代码:

#include 


struct IVehicle {
  // Define the interface for vehicle
  template  struct Interface : Base {
    void accelerate() const {
      folly::poly_call<0>(*this);
    }
  };
  // Define how concrete types can fulfill that interface (in C++17):
  template  using Members = folly::PolyMembers<&T::accelerate>;
};


using vehicle = folly::Poly;




struct Car {
  void accelerate() const {
    std::cout << "Car accelerate!" << std::endl;
  }
};


struct Trunk {
  void accelerate() const {
    std::cout << "Trunk accelerate!" << std::endl;
  }
};




void accel_func(vehicle const& v) {
  v.accelerate();
}


int main() {
  accel_func(Car{});  // Car accelerate
  accel_func(Trunk{});  // Trunk accelerate
  return 0;
}

从上面的示例可以看到,poly的封装使用还是比较简洁的,主要是两个辅助对象的定义:

  • IVehicle 类的定义

  • vehicle类的定义


(一)IVehicle类

struct IVehicle {
  // Define the interface for vehicle
  template  struct Interface : Base {
    void accelerate() const {
      folly::poly_call<0>(*this);
    }
  };
  // Define how concrete types can fulfill that interface (in C++17):
  template  using Members = folly::PolyMembers<&T::accelerate>;
};

IVehicle类主要提供两个功能:

  • 通过内嵌类型Members来完成接口包含的所有成员的定义,如上例中的&T::accelerate。

  • 通过内嵌类型Interface提供类型擦除后的poly<>对象的访问接口。

两者的部分信息其实有所重复,另外因为poly是基于c++17特性的,所以也没有使用concept对Interface的类型提供约束,这个地方约束性和简洁性上会有一点折扣。

(二) vehicle类

using vehicle = folly::Poly;

这个类使用我们前面定义的IVehicle类来定义一个folly::Poly容器对象,所有满足IVehicle定义的类型都可以被它所容纳,与std::any类似,只是std::any用于装填任意类型,folly::Poly<>只能用来装填符合相关Interface定义的对象,比如上面定义的vehicle,就能用来容纳前面示例中定义的Car和Trunk等实现了void accelerate() const方法的类型。同样,区别于std::any只是用作一个万能容器,这里的vehicle本身也是支持函数调用的,比如例子中的:vehicle::accelerate()。


(三)示例小结

通过上面的示例代码,我们对poly的使用有了初步的了解,从上面的代码中可以看出,编译期多态的使用还是比较简洁的,整体过程跟c++标准的继承比较类似,有几点差别比较大:

  • 我们不需要侵入性的去指定子类的基类,我们通过非侵入性的方式来使用poly库。

  • 我们是通过构建的folly::Poly<>来完成对各种子类型的容纳的,而不是直接使用基类来进行类型退化再统一存储所有子类,这样也就避免了继承一般搭配堆内存分配使用的问题。

那么,整套机制是如何实现的呢? 我们在下文中将具体展开。

四、关于实现的猜想

前面的文章中我们介绍了运行时反射的相关机制,所以类似poly这种使用侧的包装,如果我们抛开性能,考虑用反射实现类似机制,还是比较容易的。


(一)VTable与meta::class

VTable的概念其实与前面的篇章里提到的meta::class功能基本一致:

meta::class上存的meta::method都是已经完成类型擦除的版本,所以我们可以通过名称很容易的从中查询出自己需要的函数,比如上例中的accelerate,相关代码类似于:

const reflection::Function* accel_func = nullptr;
car_meta_class.TryGetFunction("accelerate", accel_func);
runtime::Call(*accel_func, car_obj);

当然,此处我们省略了meta::class的注册过程,也省略了car_obj这个UserObject的创建过程。


(二)folly::Poly<>与UserObject

我们很容易想到,使用UserObject作为Car和Trunk的容器,能够起到跟folly:Poly<>类似的效果。利用UserObject,我们可以很好的完成各种不同类型对象的类型擦除,很好的完全不同类型对象的统一存储和函数参数传递的目的。


(三)运行时反射实现的例子

这样,对于原来的例子,省略meta class的注册过程,大致的代码如下:

struct Car {
  void accelerate() const {
    std::cout << "Car accelerate!" << std::endl;
  }
};


struct Trunk {
  void accelerate() const {
    std::cout << "Trunk accelerate!" << std::endl;
  }
};




void accel_func(UserObject& v) {
  auto& meta_class = v.GetClass();
  const reflection::Function* accel_func = nullptr;
  meta_class.TryGetFunction("accelerate", accel_func);
  runtime::Call(*accel_func, v);
}


int main() {
  //Car meta class register ignore here
  // ...


  //Trunk meta class register ignore here


  accel_func(UserObject::MakeOwned(Car{}));  // Car accelerate
  accel_func(UserObject::MakeOwned(Trunk{}));  // Trunk accelerate


  return 0;
}

功能上似乎是那么回事,甚至因为运行时反射本身各部分类型擦除很彻底,好像实现上更灵活了,但是,这其实只是形势上实现了一个运行时interface like的功能,我们容易看出,这个实现达成了以下目的:

  • 非侵入性,Car与Trunk不需要额外的修改就能支持interface like的功能。

  • 我们可以利用类型擦除的UserObject对Car和Trunk这些不同类型的对象进行存储。

  • 不同对象上的accelerate()实现可以被正确的调用。

同时,这个实现存在诸多的问题:

  • 运行时实现,性能肯定有比较大的折扣。

  • 比较彻底的类型擦除带来的问题,整个实现一点都不compiler time,编译期的基础类型检查也完全没有了。

那么我们肯定会想到,poly是如何利用compiler time特性,实现更快的interface like的版本的呢? 这也是我们下一章节开始想展开的内容。

五、poly的实现分析

在开始分析前,我们先来回顾一下前面的示例代码:

using vehicle = folly::Poly;
void accel_func(vehicle const& v) {
  v.accelerate();
}


int main() {
  accel_func(Car{});  // Car accelerate
  accel_func(Trunk{});
  return 0;
}

一切的起点发生在accel_func()将临时构造的Car{}和Trunk{}向vehicle转换的过程中,而我们知道vehicle实际类型是folly::Poly,这也是一个Duck Type,可以容纳所有满足IVehicle声明的类型,如上例中的Car和Trunk。

上例中,Car和Trunk类型向Duck Type类型转换的代码如下:

template 
template ::value, int>>
inline PolyVal::PolyVal(T&& t) {
  using U = std::decay_t;
  //some compiler time && runtime check ignore here
  //...
  if (inSitu()) {
    auto const buff = static_cast(&_data_()->buff_);
    ::new (buff) U(static_cast(t));
  } else {
    _data_()->pobj_ = new U(static_cast(t));
  }
  vptr_ = vtableFor();
}

非常直接的代码,可以看出与dyno的思路完全一致,主要完成我们前面提到过的两件事:

  • Storage policy-分配合适的空间以存储对象。

  • VTable policy-为对象关联正确的VTable。

当然,实际的实现过程其实还有比较多的细节,我们先来具体看一下storage与VTable这两部分的实现细节。


(一)storage处理

整个poly的storage处理完全参考了dyno的实现,当然并没有像dyno那样提供多种storage policy,而是固定的分配策略:

if (inSitu()) {
    auto const buff = static_cast(&_data_()->buff_);
    ::new (buff) U(static_cast(t));
  } else {
    _data_()->pobj_ = new U(static_cast(t));
  }

适合原地构造的,则直接使用replacement new来原地构造对象(性能最优的方式),否则则还是使用堆分配。这里会用到一个Data类型,也是完全copy的dyno的实现,定义如下:

struct Data {
  Data() = default;
  // Suppress compiler-generated copy ops to not copy anything:
  Data(Data const&) {}
  Data& operator=(Data const&) { return *this; }
  union {
    void* pobj_ = nullptr;
    std::aligned_storage_t buff_;
  };
};

其实我们已经不难猜到inSitu()的实现了,其中肯定有对对象大小的判断:

template 
inline constexpr bool inSitu() noexcept {
  return !std::is_reference::value &&
      sizeof(std::decay_t) <= sizeof(Data) &&
      std::is_nothrow_move_constructible>::value;
}

除了原地构造的大小限制外-写死的两个double大小,poly增加了对无异常移动构造的约束,也就是对象的移动构造如果不是nothrow的,就算大小满足要求,也依然会使用堆分配进行构造。

storage这部分主要还是使用SBO的优化策略,这部分dyno相关的视频中有详细的介绍,poly的实现完全照搬了那部分思路,感兴趣的同学可以自行去看一下参考部分的相关视频,了解更多的细节,也包括dyno作者自己做的性能分析。

(二)VTable处理

vptr_ = vtableFor();
  • 处理的难点

对于Car和Trunk,它们同名的void accelerate()函数,其实类型并不相同,这是因为类的成员函数都隐含了一个this指针,将自己的类型带入进去了。简单的保存成员函数的指针的方式肯定不适用了,另外因为我们需要最终得到统一的Duck Type-vehicle,我们也需要统一Car和Trunk的VTable类型,所以这里肯定是要对接口函数的类型做一次擦除操作的。

另外,因为我们需要尽可能的避免运行时开销,所以在我们使用Duck Type对对象的相关接口,如上面的accelerate()进行访问的时候,我们希望中间过程是足够高效的。

poly是如何做到这两点的呢? 我们带着这两个疑问,逐步深入相关的代码了解具体的实现。

  • vtableFor<>实现
template 
constexpr VTable const* vtableFor() noexcept {
  return &StaticConst>::value;
}

这个地方的StaticConst是一个类似singleton的封装:

//  StaticConst
//
//  A template for defining ODR-usable constexpr instances. Safe from ODR
//  violations and initialization-order problems.


template 
struct StaticConst {
  static constexpr T value{};
};


template 
constexpr T StaticConst::value;

这样我们就有了一个根据类型来查询全局唯一VTable指针的机制了,足够高效。

核心问题的解决都是发生在VTableFor这个类型上的,我们下面来具体看一下它的实现。


  • VTableFor与VTable的实现
template 
struct VTableFor : VTable {
  constexpr VTableFor() noexcept : VTable{Type{}} {}
};


template <
    class I,
    class = MembersOf>,
    class = SubsumptionsOf>
struct VTable;


template 
struct VTable, TypeList>
    : BasePtr..., std::tuple...> {
 private:
  template 
  constexpr VTable(Type, PolyMembers) noexcept
      : BasePtr{vtableFor()}...,
        std::tuple...>{thunk_()...},
        state_{inSitu() ? State::eInSitu : State::eOnHeap},
        ops_{getOps()} {}


 public:
  constexpr VTable() noexcept
      : BasePtr{vtable()}...,
        std::tuple...>{
            static_cast>(throw_())...},
        state_{State::eEmpty},
        ops_{&noopExec} {}


  template 
  explicit constexpr VTable(Type) noexcept
      : VTable{Type{}, MembersOf{}} {}


  State state_;
  void* (*ops_)(Op, Data*, void*);
};

这个地方的代码实现其实有点绕,一开始我以为是使用的CTAD,c++17的模板参数自动推导的功能,按照类似的方式在自己的代码上尝试始终失败,最后才发现跟CTAD一点关系没有。

首先是第一点,VTable通过I(也就是例子中的IVehicle),就能够完全构建出自己的类型了,这也是为什么Car与Trunk的VTable类型完全一致的原因,因为类型定义上,完全不依赖具体的Car和Trunk。

然后是第二点,VTable的第一个构造函数为VTable提供实际的数据来源,这里才会用到具体的类型Car和Trunk。

那么VTable的设计是如何实现具体的类型分离的呢? 这里直接给出答案,我们可以认为,poly对接口函数做了一个部分的类型擦除,相比于之前介绍的反射对所有函数进行类型统一,poly的函数擦除方法可以说是刚刚好,以上文中的accelerate()举例,在Car中的时候原始类型为:

void(const Car::*)();

最终类型擦除后产生的函数类型为:

void(*)(const folly::detail::Data &);

这样,不管是Car和Trunk,它们对应接口的类型就被统一了,同时,Data本身也跟我们前面提到的Duck Type-PolyVal关联起来了。

这种转换老司机们肯定容易想到lambda,lambda肯定也是用于处理这种参数统一的利器,不过poly这里选用了一种编译开销更有优势的方式:

template <
    class T,
    FOLLY_AUTO User,
    class I,
    class = ArgTypes,
    class = Bool>
struct ThunkFn {
  template 
  constexpr /* implicit */ operator FnPtr() const noexcept {
    return nullptr;
  }
};


template 
struct ThunkFn<
    T,
    User,
    I,
    TypeList,
    Bool<
        !std::is_const>::value ||
        IsConstMember>::value>> {
  template 
  constexpr /* implicit */ operator FnPtr() const noexcept {
    struct _ {
      static R call(D& d, As... as) {
        return folly::invoke(
            memberValue(),
            get(d),
            convert(static_cast(as))...);
      }
    };
    return &_::call;
  }
};

通过一个结构体的静态函数来绕开lambda来对函数的参数类型进行转换,当然,通过这里我们也能了解到具体的接口函数的执行过程了,有几点需要注意一下:

  • folly::invoke()的功能与标准库的std::invoke()功能一致。

  • get(d) 完成Data类型到具体类型的还原。

  • 与反射中类似,也存在对参数表中的参数的convert的处理,这块就不再展开了,基本都是原始类型参数的派发,因为一些进阶功能存在Poly类型转换派发的情况,此处不再详细描述了。

再回到多个接口函数的存储上,这个是通过继承的std::tuple<>来完成的,所以我们在Interface的定义中也会发现这样的模板特化用法,实际就是取这个tuple<>中对应位置的元素。

struct VTable, TypeList>
    : BasePtr..., std::tuple...> 


template 
  constexpr VTable(Type, PolyMembers) noexcept
      : BasePtr{vtableFor()}...,
        std::tuple...>{thunk_()...},
        state_{inSitu() ? State::eInSitu : State::eOnHeap},
        ops_{getOps()} {}

trunk_()函数完成对上面函数类型转换函数ThunkFn()的调用,这样整个虚表中最重要的信息就构造完成了。


(三)关于性能

我们直接以windows上的release版为例,通过生成的asm大致推测poly实际的运行时性能:

//...
accel_func(Car{});  // Car accelerate
00007FF696421166  mov         qword ptr [rsp+20h],0  
00007FF69642116F  lea         rdi,[__ImageBase (07FF696420000h)]  
00007FF696421176  lea         rax,[rdi+33B0h]  
00007FF69642117D  mov         qword ptr [rsp+30h],rax  
00007FF696421182  lea         rcx,[rsp+20h]  
00007FF696421187  call         ?? ::Z::SAX0::XZ::`folly::detail::ThunkFn,std::integral_constant >::operator void (__cdecl*)(folly::detail::Data const &)'::`2'::_::call (07FF696421490h)  
00007FF69642118C  nop  
00007FF69642118D  mov         rax,qword ptr [rsp+30h]  
00007FF696421192  mov         r9,qword ptr [rax+10h]  
00007FF696421196  xor         ecx,ecx  
00007FF696421198  xor         r8d,r8d  
00007FF69642119B  lea         rdx,[rsp+20h]  
00007FF6964211A0  call        r9  
00007FF6964211A3  nop  
  accel_func(Trunk{});  // Trunk accelerate
//...

到真正调用到实际的accelerate()函数,编译期的各种中间过程,基本都能被优化掉,整体性能估计跟virtual dispatch接近或者更高,有时间再结合实际的工程示例测试一下相关的数据,本篇性能相关的分析就先到这里了。


(四)poly小结

poly核心机制的实现并不复杂,主要也就是本章介绍的这部分,但poly还实现了一些进阶功能,比如interface之间的继承,非成员函数的支持等,导致整个实现的复杂度飙升,感兴趣的可以自行翻阅相关的代码,推荐的熟悉顺序是:

  • TypeList.h-里面封装了大量类型和类型运算相关的功能,整体思路类似boost::mpl的meta function,但基本没有其他依赖,实现也足够简单,值得一看。

  • PolyNode等其它用于支撑Interface继承的结构。

正常来说,熟悉了TypeList中的meta function以及常用的TypeFold等实现,读懂相关代码不会存在太多的障碍。

另外,Windows上不推荐直接使用源码编译folly,依赖库比较多,并且应该很久没人维护了,获取dependency的python脚本都直接报错,建议windows上直接使用vcpkg 安装folly进行使用,因为folly与boost 类似,基本只有头文件实现,通过这种方式并不影响源码的阅读和调试。


六、总结

本篇我们重点介绍了编译期多态,也讲到了它与反射的一些关联和差异,最后结合poly的相关实现介绍了一些核心的技术点。当然,就编译期反射来说,我们还有更多可以做的内容:

  • 比如参考视频中提到的结合未来的语言新特性如reflect,meta class来进一步简化使用接口。

  • 或者通过离线的方式做一部分代码生成来进一步简化使用侧的Interface定义,甚至提供更强的编译期约束等。

这些我们会尝试在实际的落地中逐步完善,有相关的进展再来分享了。

参考资料:

1.Runtime Polymorphism: Back to the Basics-Louis Dionne

2.Github-dyno

3.Github-folly

 作者简介

如何优雅地实现C++编译期多态?_第4张图片

沈芳

腾讯后台开发工程师

IEG研发效能部开发人员,毕业于华中科技大学。目前负责CrossEngine Server的开发工作,对GamePlay技术比较感兴趣。

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