开放编译器OpenC++工作原理及对其局限的改进

2010-09-19汤发俊江文柴晓前

滁州职业技术学院学报 2010年4期

关键词：源文件编译器局限

汤发俊，江文，柴晓前

（1，2无锡商业职业技术学院，江苏无锡214063；3华为技术有限公司，广东深州518129）

开放编译器OpenC++工作原理及对其局限的改进

汤发俊，江文，柴晓前

（1，2无锡商业职业技术学院，江苏无锡214063；3华为技术有限公司，广东深州518129）

本文详细分析了OpenC++工作原理和OpenC++MOP，并在研究实践的基础上指出了OpenC++的局限，最后针对这些局限分别提出了改进的方法，给出了改进后的OpenC++的工作流程。

开放编译器；工作原理;局限;改进

一、O penC++概览

OpenC++2.5/2.7（以下简称OpenC++）是一个典型的开放编译器，它将元对象协议（Meta-object Protocol，MOP）[1]引入到C++语言的编译过程中，是一种面向C++的源代码转换工具。OpenC++可被用来实现对C++语言的各种扩充，如添加新的文法、新的符号、新的对象行为等[2]。所谓开放编译，就是指通过元对象协议将编译过程向用户开放，用户可以通过元对象协议提供的接口，干预编译过程。

OpenC++的扩展特征由元程序（Meta-Level Program）在编译时指定。元程序由编程人员按照OpenC++MOP编写。这个接口把编译器的内部结构（经过面向对象的抽象）呈现给编程人员。与普通的C++程序一样，元程序其实也是一个C++程序。为了有所区别，我们把普通C++程序称为基级程序（Base-Level Program）。元程序经OpenC++编译器编译后被（动态或静态地）链接到OpenC++编译器上。链接后得到的OpenC++编译器按照元程序指明的方式对基级程序进行转换或分析。如果没有给出元程序，OpenC++与普通的C++一样。基级程序被OpenC++根据元程序转换后，再与运行时支持代码链接(用于提供基级程序使用的类和函数)，最终得到可执行程序。参见图1。

图1 O penC++概览

OpenC++是一个用于对C++程序进行分析与转换的工具包。如果使用OpenC++来开发C++程序的转换器（Translator）和分析器（Analyzer），用户无需考虑解析器和类型系统这样的细节。OpenC++还可以为许多其他工具的开发提供支持，例如用户可以利用OpenC++实现C++程序类层次关系的源代码分析器。

二、O penC++工作原理

OpenC++编译器的工作过程由三个阶段组成：预处理，从OpenC++到C++的源到源（Source-to-Source）转换，以及标准C++编译器的编译和链接[3]。OpenC++MOP是在第二阶段控制转换的接口，指明OpenC++的扩展特征如何转换成普通的C++代码，参见图2。

图2 O penC++的工作原理

C++预处理器处理后的基级程序，在OpenC++中被分割成许多代码片断。这些代码片断由元对象转换后，再重新组合成一个完整的C++程序。最后OpenC++将转换后的C++程序传递给标准C++编译器，比如GNU C++。

在OpenC++中，代码片断由Ptree元对象以分析树的形式表示。虽然元对象与C++中的对象类似，但它们只存在于编译器中，并且代表着基级程序的元状态，因此称它们为元对象，而不能简单的称为对象。从在系统中所起的作用看，对象用于满足系统功能性方面的需求，而元对象则用于满足系统非功能性方面的需求。通过绑定到合适的元对象上，对象可以具备非功能性方面的能力。

三、O penC++M O P分析

OpenC++MOP属于编译时MOP的一种[3]。也就是说OpenC++中的元对象不是在运行时按照某种指定的方式去解释基级程序，而是在编译时转换基级程序，实现定制行为。因此OpenC++MOP只需在编译时提供对C++中一些关键特性的控制能力即可。针对对象的每一个基本动作，例如方法调用、数据读写、对象创建等，元对象都有对应的方法，用于定制对象的这一种行为。

OpenC++MOP之所以要按照编译时MOP的原则进行设计，是因为编译时MOP具有高性能与充分自定制的特点：不会带来运行时代价；提供了为标准C++语言添加扩展特性的能力。

类似于其他MOP，在OpenC++MOP中也存在元环[1][4]（Meta-Circular）的概念。从本质上说，元类和类没有差别，元类只不过是一个可以实例化出类的类（即元对象对应于类）。类与元类的关系等价于对象与类的关系。因此，如果程序中包含元类的定义，MOP也会为这些元类构建元对象，以用于控制这些元类的编译过程。这样就必然会出现“类－元类－元类的元类－……”无限延续的现象：为了编译一个类，其元类必须先被编译；为了编译这个元类，这个元类的元类必须先被编译……

在OpenC++中，Metaclass是Class的元类，同时Class子类的元类也必须是Metaclass（Class的子类从Class继承元类，因此程序员无需显式的为Class的子类声明元类）。由于Metaclass是Class的子类，因此Metaclass的元类就是其自身（参见图3），这样就解决了元环的问题。

图3 实例化关系

OpenC++主要提供了五种元对象：Ptree元对象、Environment元对象、TypeInfo元对象、Class元对象和Member元对象[4]。这些元对象呈现了在C++中不能访问的几个方面。大部分的元对象提供的是内省（Introspection）的能力，但也有一些元对象表现了程序行为方面的特征，并使源到源的转换成为可能。

四、O penC++的局限及改进

（一）O penC++的局限

经多次研究并实际应用后发现，OpenC++对源文件的转换有四个比较大的局限：

（1）OpenC++首先调用标准C++的预处理器对源文件进行预处理，然后对预处理生成的文件进行分析。标准预处理器在预处理时，会导入所有必需的头文件，不仅包括用户编写的头文件，还包括许多系统头文件，如stdio.h。因此预处理生成的文件会比源文件大很多。对这些文件的转换，将耗费非常多的时间与空间，可能会出现耗尽内存而无法继续的现象。

（2）OpenC++一次只能对一个文件进行转换。当目标系统包含多个源文件时，就不得不多次调用OpenC++以实现对预处理后的所有文件进行转换。

（3）需要用户为待转换的类编写元类，并加入加入元类声明。即使有辅助工具自动完成这一工作，也可能给基极程序的维护人员造成困惑。

（4）OpenC++提供的MOP并不包含对全局函数的处理接口。