湯發(fā)俊，江文，柴曉前

（1，2無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫214063；3華為技術(shù)有限公司，廣東深州518129）

開放編譯器OpenC++工作原理及對(duì)其局限的改進(jìn)

湯發(fā)俊，江文，柴曉前

（1，2無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫214063；3華為技術(shù)有限公司，廣東深州518129）

本文詳細(xì)分析了OpenC++工作原理和OpenC++MOP，并在研究實(shí)踐的基礎(chǔ)上指出了OpenC++的局限，最后針對(duì)這些局限分別提出了改進(jìn)的方法，給出了改進(jìn)后的OpenC++的工作流程。

開放編譯器；工作原理;局限;改進(jìn)

一、O penC++概覽

OpenC++2.5/2.7（以下簡(jiǎn)稱OpenC++）是一個(gè)典型的開放編譯器，它將元對(duì)象協(xié)議（Meta-object Protocol，MOP）[1]引入到C++語言的編譯過程中，是一種面向C++的源代碼轉(zhuǎn)換工具。OpenC++可被用來實(shí)現(xiàn)對(duì)C++語言的各種擴(kuò)充，如添加新的文法、新的符號(hào)、新的對(duì)象行為等[2]。所謂開放編譯，就是指通過元對(duì)象協(xié)議將編譯過程向用戶開放，用戶可以通過元對(duì)象協(xié)議提供的接口，干預(yù)編譯過程。

OpenC++的擴(kuò)展特征由元程序（Meta-Level Program）在編譯時(shí)指定。元程序由編程人員按照OpenC++MOP編寫。這個(gè)接口把編譯器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（經(jīng)過面向?qū)ο蟮某橄螅┏尸F(xiàn)給編程人員。與普通的C++程序一樣，元程序其實(shí)也是一個(gè)C++程序。為了有所區(qū)別，我們把普通C++程序稱為基級(jí)程序（Base-Level Program）。元程序經(jīng)OpenC++編譯器編譯后被（動(dòng)態(tài)或靜態(tài)地）鏈接到OpenC++編譯器上。鏈接后得到的OpenC++編譯器按照元程序指明的方式對(duì)基級(jí)程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換或分析。如果沒有給出元程序，OpenC++與普通的C++一樣?；?jí)程序被OpenC++根據(jù)元程序轉(zhuǎn)換后，再與運(yùn)行時(shí)支持代碼鏈接(用于提供基級(jí)程序使用的類和函數(shù))，最終得到可執(zhí)行程序。參見圖1。

圖1 O penC++概覽

OpenC++是一個(gè)用于對(duì)C++程序進(jìn)行分析與轉(zhuǎn)換的工具包。如果使用OpenC++來開發(fā)C++程序的轉(zhuǎn)換器（Translator）和分析器（Analyzer），用戶無需考慮解析器和類型系統(tǒng)這樣的細(xì)節(jié)。OpenC++還可以為許多其他工具的開發(fā)提供支持，例如用戶可以利用OpenC++實(shí)現(xiàn)C++程序類層次關(guān)系的源代碼分析器。

二、O penC++工作原理

OpenC++編譯器的工作過程由三個(gè)階段組成：預(yù)處理，從OpenC++到C++的源到源（Source-to-Source）轉(zhuǎn)換，以及標(biāo)準(zhǔn)C++編譯器的編譯和鏈接[3]。OpenC++MOP是在第二階段控制轉(zhuǎn)換的接口，指明OpenC++的擴(kuò)展特征如何轉(zhuǎn)換成普通的C++代碼，參見圖2。

圖2 O penC++的工作原理

C++預(yù)處理器處理后的基級(jí)程序，在OpenC++中被分割成許多代碼片斷。這些代碼片斷由元對(duì)象轉(zhuǎn)換后，再重新組合成一個(gè)完整的C++程序。最后OpenC++將轉(zhuǎn)換后的C++程序傳遞給標(biāo)準(zhǔn)C++編譯器，比如GNU C++。

在OpenC++中，代碼片斷由Ptree元對(duì)象以分析樹的形式表示。雖然元對(duì)象與C++中的對(duì)象類似，但它們只存在于編譯器中，并且代表著基級(jí)程序的元狀態(tài)，因此稱它們?yōu)樵獙?duì)象，而不能簡(jiǎn)單的稱為對(duì)象。從在系統(tǒng)中所起的作用看，對(duì)象用于滿足系統(tǒng)功能性方面的需求，而元對(duì)象則用于滿足系統(tǒng)非功能性方面的需求。通過綁定到合適的元對(duì)象上，對(duì)象可以具備非功能性方面的能力。

三、O penC++M O P分析

OpenC++MOP屬于編譯時(shí)MOP的一種[3]。也就是說OpenC++中的元對(duì)象不是在運(yùn)行時(shí)按照某種指定的方式去解釋基級(jí)程序，而是在編譯時(shí)轉(zhuǎn)換基級(jí)程序，實(shí)現(xiàn)定制行為。因此OpenC++MOP只需在編譯時(shí)提供對(duì)C++中一些關(guān)鍵特性的控制能力即可。針對(duì)對(duì)象的每一個(gè)基本動(dòng)作，例如方法調(diào)用、數(shù)據(jù)讀寫、對(duì)象創(chuàng)建等，元對(duì)象都有對(duì)應(yīng)的方法，用于定制對(duì)象的這一種行為。

OpenC++MOP之所以要按照編譯時(shí)MOP的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，是因?yàn)榫幾g時(shí)MOP具有高性能與充分自定制的特點(diǎn)：不會(huì)帶來運(yùn)行時(shí)代價(jià)；提供了為標(biāo)準(zhǔn)C++語言添加擴(kuò)展特性的能力。

類似于其他MOP，在OpenC++MOP中也存在元環(huán)[1][4]（Meta-Circular）的概念。從本質(zhì)上說，元類和類沒有差別，元類只不過是一個(gè)可以實(shí)例化出類的類（即元對(duì)象對(duì)應(yīng)于類）。類與元類的關(guān)系等價(jià)于對(duì)象與類的關(guān)系。因此，如果程序中包含元類的定義，MOP也會(huì)為這些元類構(gòu)建元對(duì)象，以用于控制這些元類的編譯過程。這樣就必然會(huì)出現(xiàn)“類－元類－元類的元類－……”無限延續(xù)的現(xiàn)象：為了編譯一個(gè)類，其元類必須先被編譯；為了編譯這個(gè)元類，這個(gè)元類的元類必須先被編譯……

在OpenC++中，Metaclass是Class的元類，同時(shí)Class子類的元類也必須是Metaclass（Class的子類從Class繼承元類，因此程序員無需顯式的為Class的子類聲明元類）。由于Metaclass是Class的子類，因此Metaclass的元類就是其自身（參見圖3），這樣就解決了元環(huán)的問題。

圖3 實(shí)例化關(guān)系

OpenC++主要提供了五種元對(duì)象：Ptree元對(duì)象、Environment元對(duì)象、TypeInfo元對(duì)象、Class元對(duì)象和Member元對(duì)象[4]。這些元對(duì)象呈現(xiàn)了在C++中不能訪問的幾個(gè)方面。大部分的元對(duì)象提供的是內(nèi)?。↖ntrospection）的能力，但也有一些元對(duì)象表現(xiàn)了程序行為方面的特征，并使源到源的轉(zhuǎn)換成為可能。

四、O penC++的局限及改進(jìn)

（一）O penC++的局限

經(jīng)多次研究并實(shí)際應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，OpenC++對(duì)源文件的轉(zhuǎn)換有四個(gè)比較大的局限：

（1）OpenC++首先調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)C++的預(yù)處理器對(duì)源文件進(jìn)行預(yù)處理，然后對(duì)預(yù)處理生成的文件進(jìn)行分析。標(biāo)準(zhǔn)預(yù)處理器在預(yù)處理時(shí)，會(huì)導(dǎo)入所有必需的頭文件，不僅包括用戶編寫的頭文件，還包括許多系統(tǒng)頭文件，如stdio.h。因此預(yù)處理生成的文件會(huì)比源文件大很多。對(duì)這些文件的轉(zhuǎn)換，將耗費(fèi)非常多的時(shí)間與空間，可能會(huì)出現(xiàn)耗盡內(nèi)存而無法繼續(xù)的現(xiàn)象。

（2）OpenC++一次只能對(duì)一個(gè)文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)目標(biāo)系統(tǒng)包含多個(gè)源文件時(shí)，就不得不多次調(diào)用OpenC++以實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)處理后的所有文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

（3）需要用戶為待轉(zhuǎn)換的類編寫元類，并加入加入元類聲明。即使有輔助工具自動(dòng)完成這一工作，也可能給基極程序的維護(hù)人員造成困惑。

（4）OpenC++提供的MOP并不包含對(duì)全局函數(shù)的處理接口。

（二）O penC++的改進(jìn)

針對(duì)以上OpenC++對(duì)源文件轉(zhuǎn)換的四個(gè)局限，經(jīng)過多次實(shí)踐后提出如下方法進(jìn)行改進(jìn)：

（1）對(duì)于局限1來說，可以通過重新編寫一個(gè)支持只導(dǎo)入用戶頭文件的預(yù)處理器來解決。

（2）對(duì)于局限2來說，通過添加一個(gè)記錄所有頭文件和源文件的列表文件來解決，這個(gè)列表文件可由輔助工具根據(jù)make文件或VC工程文件自動(dòng)生成。

（3）對(duì)于局限3來說，由于OpenC++在解析源碼時(shí)如果發(fā)現(xiàn)沒有自定義的元類時(shí)，它會(huì)指派缺省元類Class。所以可以通過修改默認(rèn)元類的缺省實(shí)現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能。

（4）對(duì)于局限4來說，可以在OpenC++對(duì)全局函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)對(duì)全局函數(shù)的處理。改進(jìn)后的OpenC++的工作流程如圖4所示，其中灰色為改進(jìn)的部分。

圖4 改進(jìn)后的O penC++的工作流程

總之，OpenC++是解析和分析C++源代碼的一種軟件工具，它使用一個(gè)源對(duì)象協(xié)議（MOP）來為語言擴(kuò)展提供服務(wù)。而在實(shí)際使用中需要我們不斷加以改進(jìn)才能發(fā)揮其最大效用。

[1]ShigeruChiba.AMetaobjectProtocolforC++. Proceedings of ACM Conference on OOPSLA.1995，10.

[2]Shigeru Chiba.A Study of Compile-time Metaobject Protocol．PhD thesis.Graduate School of Science，The University of Tokyo.1996，3.

[3]Shigeru Chiba．OpenC++Tutorial．1998.

[4]Shigeru Chiba．OpenC++2.5 Reference Manual．1999.

TP312

A

1671-5993（2010）04-0057-03

2010-06-22

湯發(fā)?。?977-），男，江蘇建湖人，碩士，無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師、工程師。

江文（1979-），女，江蘇連云港人，本科，無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師。

柴曉前（1976-），男，甘肅靜寧人，碩士，華為技術(shù)有限公司工程師。