[논문 리뷰] A system for reflection in C++

Duraid Madina, Russell K. Standish|ArXiv.org|2004. 01. 27.

Simulation Techniques and Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 컴파일 타임 객체 기술자 생성을 통해 런타임 인티로스펙션, 직렬화 및 스크립팅 통합을 가능하게 하는 C++ 시스템인 Classdesc를 제시한다. 이 시스템은 C++ 클래스를 분석하여 재귀적으로 객체 구조를 순회할 수 있는 함수 템플릿을 생성함으로써 작동하며, 기계에 종속되지 않는 직렬화와 Tcl과 같은 스크립팅 언어로의 동적 바인딩을 가능하게 한다. 이는 Eco Lab 시뮬레이션 프레임워크에서 성공적으로 구현된 바 있다.

ABSTRACT

Object-oriented programming languages such as Java and Objective C have become popular for implementing agent-based and other object-based simulations since objects in those languages can {\em reflect} (i.e. make runtime queries of an object's structure). This allows, for example, a fairly trivial {\em serialisation} routine (conversion of an object into a binary representation that can be stored or passed over a network) to be written. However C++ does not offer this ability, as type information is thrown away at compile time. Yet C++ is often a preferred development environment, whether for performance reasons or for its expressive features such as operator overloading. In this paper, we present the {\em Classdesc} system which brings many of the benefits of object reflection to C++.

연구 동기 및 목표

• 컴파일 타임에 타입 정보가 손실되는 C++에서의 반사 기능 부족 문제를 해결하기 위해.
• 복잡한 C++ 객체의 기계에 종속되지 않는 직렬화를 통해 체크포인트 및 분산 컴퓨팅을 가능하게 하기 위해.
• Tcl과 같은 스크립팅 언어로 C++ 객체를 동적으로 바인딩하여 상호작용 가능한 시뮬레이션 제어를 가능하게 하기 위해.
• 런타임 오버헤드 없이 프라이빗 및 프로텍티드 멤버를 인티로스펙트할 수 있는 메커니즘을 제공하기 위해.
• GUI 및 원격 실행 환경과 같은 외부 도구와 C++ 객체를 원활하게 통합하기 위해.

제안 방법

• 코드 생성기가 C++ 클래스, 구조체 및 유니온 정의를 분석하여 객체 레이아웃을 기술하는 함수 템플릿을 생성한다.
• 기본 클래스와 멤버 변수의 정확한 순회를 컴파일 타임에 확보하기 위해 함수 오버로딩을 사용하여 객체 기술자를 생성한다.
• 기본 유형의 직렬화를 위해 `pack<T>()`라는 일반 템플릿 함수를 사용하며, 이는 메모리 표현을 버퍼에 복사한다.
• XDR를 통해 기계에 종속되지 않는 직렬화를 지원하는 `pack_t` 클래스와 `append()` 메서드를 사용한다.
• 프리프로세서 도구를 통해 `friend` 선언 메커니즘을 삽입하여 프라이빗 및 프로텍티드 멤버에 대한 액세스 권한을 부여한다.
• 포인터 처리를 위해 `Single_Obj_Ptr`와 같은 매크로를 제공하며, 동적 타입은 메모리 泄漏를 방지하기 위해 클래스로 캡슐화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 언어 수준 지원이 없는 C++에서 자바와 오브젝티브-C에서 일반적으로 사용하는 반사 기능을 어떻게 구현할 수 있는가?
• RQ2 런타임 인티로스펙션을 가능하게 하는 컴파일 타임 기술자를 효과적으로 생성하는 가장 좋은 방법은 무엇인가?
• RQ3 코드 생성과 최소한의 런타임 오버헤드를 사용하여 C++에서 기계에 종속되지 않는 직렬화를 달성할 수 있는가?
• RQ4 타입 안정성을 유지하면서 C++ 객체를 Tcl과 같은 스크립팅 언어로 동적으로 바인딩할 수 있는가?
• RQ5 반사 시스템에서 포인터와 동적 메모리를 안전하게 처리하기 위해 어떤 메커니즘이 사용될 수 있는가?

주요 결과

• Classdesc 시스템은 코드 생성 기반 기술자를 통해 복잡한 C++ 객체, 포함된 구조체와 배열을 포함한 직렬화를 성공적으로 구현하였다.
• XDR 라이브러리를 사용하여 기계에 종속되지 않는 직렬화가 달성되었으며, 이는 이질적인 아키텍처 간에 체크포인트 파일을 이동할 수 있도록 허용한다.
• Tcl을 통한 직접적인 스크립팅 액세스를 통해 시뮬레이션의 상호작용 가능한 제어 및 디버깅이 가능해졌다.
• 일반 포인터에 대해 런타임 경고가 발생하며, `Single_Obj_Ptr`와 같은 특수 매크로를 통해 프로그래머가 유효한 객체를 가리키는 포인터 또는 NULL임을 표시할 수 있다.
• `friend` 선언과 프리프로세서 도구의 사용으로, 클래스 정의를 수정하지 않고도 기술자가 프라이빗 및 프로텍티드 멤버에 액세스할 수 있다.
• 이 시스템은 Eco Lab 시뮬레이션 프레임워크에 성공적으로 통합되었으며, 클라이언트-서버 시뮬레이션과 체크포인트 기능에 사용되고 있다.