如何在没有 x-macros 的情况下在 C 中获得类似反射的功能

Question

与this question on Software Engineering about easily serializing various struct contents on demand相关，我发现一篇文章使用x-macros创建"out of the box"结构序列化所需的结构元数据。我也看到了 "smart enums" 的类似技术，但它归结为相同的原则，即获取枚举的字符串表示形式，或通过名称获取结构的字段值，或类似的东西。

然而，Stack Overflow 上经验丰富的 C 程序员指出，x-macros 应该避免使用，因为 "last resort":

How to access member of struct dynamically in C?

我可能会找到更多相关主题，但不幸的是我没有将它们加入书签所以这只是一些 Google-fu。

也许正确答案类似于Protocol Buffers？但是，为什么用不同的语言创建结构定义（.proto 定义）然后运行生成 C 文件的构建步骤比使用内置预处理器更可取呢？问题是这些技术仍然不允许我通过名称检索单个结构，我必须在两个项目之间共享相同的定义并保持它们同步。

那么问题是：如果 x-macros 是 "last resort"，我的问题的解决方法（当从不同设备请求时轻松序列化各种内部数据）将是 "first resort"，或任何其他方法在求助于宏地狱之前？

Answer 1

"first resort" 通常是以下之一：

将您的所有数据分组在由 arrays/structs 组成的 table 中，最好是只读数据，如第一个链接示例中所示。 table 索引用作将数据保持在一起的搜索键（"primary key" 使用 RDBMS 术语）。这是快速且可读的，但在维护期间必须小心。
根据一些 OO 设计对数据进行分组。可以使用不透明指针和函数指针来实现私有封装和多态。如果使用得当，这可以提供最先进的程序设计。但与此同时，编写起来可能有些繁琐。如果您不能使用动态内存分配（嵌入式系统），那么您必须为每个 class 发明一个内存池。最适合更复杂的 "ADT" 类容器和 API 设计。

话虽如此，只要您不假设每个 reader 都熟悉 X-macros，就可以接受 table。因此，我会留下一些关于宏列表如何工作、使用时如何扩展以及应如何维护的评论。

从链接的代码示例中，#define X(dir) {dir, #dir} 行也许应该像这样注释得更恰当：

/*
  Create a temporary X-macro that expands the DIRECTION_LIST, to form 
  an array initialization list. The format will be:

  {north, "north"},  
  {south, "south"},
  ...
*/
#define X(dir) {dir, #dir}
  DIRECTION_LIST
#undef X

Answer 2

借助 Boost 的一些预处理器魔法，我们可以使宏能够生成可反射的枚举。

我设法构建了下面提供的简单概念验证实现。

首先，用法。正在关注：

ReflEnum(MyEnum,
    (first)
    (second , 42)
    (third)
)

扩展为：

enum MyEnum
{
    first,
    second = 42,
    third,
};

const char *EnumToString_MyEnum(enum MyEnum param)
{
    switch (param)
    {
      case first:
        return "first";
      case second:
        return "second";
      case third:
        return "third";
      default:
        return "<invalid>";
    }
}

因此一个完整的程序可能如下所示：

#include <stdio.h>

/*
 * Following is generated by the below ReflEnum():
 *   enum MyEnum {first, second = 42, third};
 *   const char *EnumToString_MyEnum(enum MyEnum value) {}
*/
ReflEnum(MyEnum,
    (first)
    (second , 42)
    (third)
)

int main()
{
    enum MyEnum foo = second;
    puts(EnumToString_MyEnum(foo));  // -> "second"
    puts(EnumToString_MyEnum(43));   // -> "third"
    puts(EnumToString_MyEnum(9001)); // -> "<invalid>"
}

这是实现本身。

它由两部分组成。代码本身和预处理器魔术头文件无耻地从 Boost 中窃取。

代码：

#define ReflEnum_impl_Item(...) PPUTILS_VA_CALL(ReflEnum_impl_Item_, __VA_ARGS__)(__VA_ARGS__)
#define ReflEnum_impl_Item_1(name)        name,
#define ReflEnum_impl_Item_2(name, value) name = value,

#define ReflEnum_impl_Case(...) case PPUTILS_VA_FIRST(__VA_ARGS__): return PPUTILS_STR(PPUTILS_VA_FIRST(__VA_ARGS__));

#define ReflEnum(name, seq) \
    enum name {PPUTILS_SEQ_APPLY(seq, ReflEnum_impl_Item)}; \
    const char *EnumToString_##name(enum name param) \
    { \
        switch (param) \
        { \
            PPUTILS_SEQ_APPLY(seq, ReflEnum_impl_Case) \
            default: return "<invalid>"; \
        } \
    }

扩展代码以支持字符串-> 枚举转换应该太难；如果您不确定，请在评论中提问。

魔法：

请注意，预处理器魔法必须由脚本生成，生成时必须选择最大枚举大小。生成很容易，留给 reader.

作为练习。

Boost 默认大小为 64，下面的代码是为大小 4 生成的。

#define PPUTILS_E(...) __VA_ARGS__

#define PPUTILS_VA_FIRST(...) PPUTILS_VA_FIRST_IMPL_(__VA_ARGS__,)
#define PPUTILS_VA_FIRST_IMPL_(x, ...) x

#define PPUTILS_PARENS(...) (__VA_ARGS__)
#define PPUTILS_DEL_PARENS(...) PPUTILS_E __VA_ARGS__

#define PPUTILS_CC(a, b) PPUTILS_CC_IMPL_(a,b)
#define PPUTILS_CC_IMPL_(a, b) a##b

#define PPUTILS_CALL(macro, ...) macro(__VA_ARGS__)

#define PPUTILS_VA_SIZE(...) PPUTILS_VA_SIZE_IMPL_(__VA_ARGS__,4,3,2,1,0)
#define PPUTILS_VA_SIZE_IMPL_(i1,i2,i3,i4,size,...) size

#define PPUTILS_STR(...) PPUTILS_STR_IMPL_(__VA_ARGS__)
#define PPUTILS_STR_IMPL_(...) #__VA_ARGS__

#define PPUTILS_VA_CALL(name, ...) PPUTILS_CC(name, PPUTILS_VA_SIZE(__VA_ARGS__))

#define PPUTILS_SEQ_CALL(name, seq) PPUTILS_CC(name, PPUTILS_SEQ_SIZE(seq))

#define PPUTILS_SEQ_DEL_FIRST(seq) PPUTILS_SEQ_DEL_FIRST_IMPL_ seq
#define PPUTILS_SEQ_DEL_FIRST_IMPL_(...)

#define PPUTILS_SEQ_FIRST(seq) PPUTILS_DEL_PARENS(PPUTILS_VA_FIRST(PPUTILS_SEQ_FIRST_IMPL_ seq,))
#define PPUTILS_SEQ_FIRST_IMPL_(...) (__VA_ARGS__),

#define PPUTILS_SEQ_SIZE(seq) PPUTILS_CC(PPUTILS_SEQ_SIZE_0 seq, _VAL)
#define PPUTILS_SEQ_SIZE_0(...) PPUTILS_SEQ_SIZE_1
#define PPUTILS_SEQ_SIZE_1(...) PPUTILS_SEQ_SIZE_2
#define PPUTILS_SEQ_SIZE_2(...) PPUTILS_SEQ_SIZE_3
#define PPUTILS_SEQ_SIZE_3(...) PPUTILS_SEQ_SIZE_4
#define PPUTILS_SEQ_SIZE_4(...) PPUTILS_SEQ_SIZE_5
// Generate PPUTILS_SEQ_SIZE_i
#define PPUTILS_SEQ_SIZE_0_VAL 0
#define PPUTILS_SEQ_SIZE_1_VAL 1
#define PPUTILS_SEQ_SIZE_2_VAL 2
#define PPUTILS_SEQ_SIZE_3_VAL 3
#define PPUTILS_SEQ_SIZE_4_VAL 4
// Generate PPUTILS_SEQ_SIZE_i_VAL

#define PPUTILS_SEQ_APPLY(seq, macro) PPUTILS_SEQ_CALL(PPUTILS_SEQ_APPLY_, seq)(macro, seq)
#define PPUTILS_SEQ_APPLY_0(macro, seq)
#define PPUTILS_SEQ_APPLY_1(macro, seq) PPUTILS_CALL(macro, PPUTILS_SEQ_FIRST(seq))
#define PPUTILS_SEQ_APPLY_2(macro, seq) PPUTILS_CALL(macro, PPUTILS_SEQ_FIRST(seq)) PPUTILS_SEQ_CALL(PPUTILS_SEQ_APPLY_, PPUTILS_SEQ_DEL_FIRST(seq))(macro, PPUTILS_SEQ_DEL_FIRST(seq))
#define PPUTILS_SEQ_APPLY_3(macro, seq) PPUTILS_CALL(macro, PPUTILS_SEQ_FIRST(seq)) PPUTILS_SEQ_CALL(PPUTILS_SEQ_APPLY_, PPUTILS_SEQ_DEL_FIRST(seq))(macro, PPUTILS_SEQ_DEL_FIRST(seq))
#define PPUTILS_SEQ_APPLY_4(macro, seq) PPUTILS_CALL(macro, PPUTILS_SEQ_FIRST(seq)) PPUTILS_SEQ_CALL(PPUTILS_SEQ_APPLY_, PPUTILS_SEQ_DEL_FIRST(seq))(macro, PPUTILS_SEQ_DEL_FIRST(seq))
// Generate PPUTILS_SEQ_APPLY_i

如何在没有 x-macros 的情况下在 C 中获得类似反射的功能

How to get reflection-like functionality in C, without x-macros

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代码：

魔法：