循迹研究室

UE反射实现分析：基础概念

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反射，是指程序在运行时进行自检的的能力，在编辑器的属性面板、序列化、GC等方面非常有用。但是C++语言本身不支持反射特性，UE在C++的语法基础上通过UHT实现了反射信息的生成，从而实现了运行时的反射的目的。

在之前的文章中，有一些涉及到UE的构建系统和反射相关的内容。

涉及了UE的构建系统文章：

基于UE的反射机制来做一些奇淫巧技的文章：

UE的反射实现是依赖于构建系统中UHT来执行代码生成的，本篇文章对UE的反射做一个基础概念介绍，后续会花几篇文章完整地介绍UE里反射的实现机制。

UE的反射可以实现Enum的反射(UEnum)、类反射(UClass)、结构反射(UStruct)、数据成员反射(UProperty/FProperty)、成员函数反射(UFunction)，可以在运行时访问到它们，其实反射被称作属性系统应该更合适。

可以根据这些反射信息来获取它们的类型信息，本篇文章以类反射为例子介绍一下UE的反射。

如以下纯C++代码：

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class ClassRef
{
public:
    int32 ival = 666;
    bool func(int32 InIval){ return false;}
};

想要在运行时获取ClassRef类有哪些数据成员、函数，要如何操作？

C++原生并没有提供这样的能力，相同的需求在UE中创建的类是以下形式：

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#pragma once
#include "CoreMinimal.h"
#include "RefObject.generated.h"

UCLASS()
class REF_API URefObject : public UObject
{
	GENERATED_BODY()
public:
	UPROPERTY()
	int32 ival = 666;
	
	UFUNCTION()
	bool func(int32 InIval)
	{
    	UE_LOG(LogTemp,Log,TEXT("Function func: %d"),InIval);
    	return true;
	}
};

其中关键需要注意的点：

  1. RefObject.generated.h文件
  2. UCLASS标记
  3. GENERATED_BODY标记
  4. UPROPERTY标记
  5. UFUNCTION标记

本文不对它们的具体含义做过多的介绍，后续的文章会做详细的分析。

UCLASS/USTRUCT/UFUNCTION/UPROPERTY等可以在()中添加很多的标记值以及meta参数，用于指导UHT来生成对应的反射代码，它们支持的参数可以在UE的文档中查看：

这种通过添加的代码标记来告诉UE的构建系统，由UHT来生成反射的代码，反射的代码保存在gen.cpp中，注意这些反射标记只是用来告诉UHT来生成代码的，在经过C++的预处理阶段后它们大多都是空宏（有些是真的C++宏），这也导致UE的反射标记有一个缺点：无法使用C++的宏来包裹UE的反射标记，因为它们先于预处理执行。

而且，UHT只是简单粗暴的关键字匹配硬扫描，限制很大。

对于继承自UObject的类而言，它的反射信息被创建出了一个UClass对象，可以通过这个对象在运行时获取对象类型的信息。并且，类内部的反射数据成员和反射成员函数，都会给生成对应的FProperty和UFunction对象，用来运行时访问到它们。

UClass的继承关系：

UObjectBase
  UObjectBaseUtility
    UObject
      UField
        UStruct
          UClass

针对继承自UObject的类，可以通过GetClass()来获取UClass实例，但是如果想直接获取某个类型的UClass，则可以通过StaticClass<UObject>或者UObject::StaticClass()来获取。

UClass中记录这类的继承关系、实现的接口、各种Flag等等，具体可以直接查阅UClass的类定义，通过它可以访问到该UObject的C++类型中的信息。

而且，在运行时可以通过TFieldIterator来遍历UClass中的反射属性：

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URefObject::URefObject(const FObjectInitializer& Initializer):Super(Initializer)
{
    for(TFieldIterator<FProperty> PropertyIter(GetClass());PropertyIter;++PropertyIter)
    {
        FProperty* PropertyIns = *PropertyIter;
        UE_LOG(LogTemp,Log,TEXT("Property Name: %s"),*PropertyIns->GetName());
    }
    for(TFieldIterator<UFunction> PropertyIter(GetClass());PropertyIter;++PropertyIter)
    {
        UFunction* PropertyIns = *PropertyIter;
        UE_LOG(LogTemp,Log,TEXT("Function Name: %s"),*PropertyIns->GetName());
    }
}

执行结果：

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LogTemp: Property Name: ival
LogTemp: Function Name: func
LogTemp: Function Name: ExecuteUbergraph

那么如何通过属性和成员函数的反射信息来访问到它们呢？

访问数据成员

首先，在C++中类内存布局中是编译时固定的，所以一个数据成员在类中的位置是固定的，C++有一个特性叫做指向类成员的指针，本质上就是描述了当前数据成员在类布局内的偏移值。这部分内容在我之前的文章中有介绍：C++中指向类成员的指针并非指针。

FProperty做的就是类似的事情，记录反射数据成员的类内偏移信息，UE中的实现也是通过指向成员的指针来实现的，这部分后面的文章会着重介绍，这里只介绍使用方法。

通过FProperty获取对象中值的方式，需要通过调用FProperty的ContainerPtrToValuePtr来实现：

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for(TFieldIterator<FProperty> PropertyIter(GetClass());PropertyIter;++PropertyIter)
{
    FProperty* PropertyIns = *PropertyIter;
    if(PropertyIns->GetName().Equals(TEXT("ival")))
    {
        int32* i32 = PropertyIns->ContainerPtrToValuePtr<int32>(this);            
        UE_LOG(LogTemp,Log,TEXT("Property %s value is %d"),*PropertyIns->GetName(),*i32);
    }
}

这样就实现了通过FProperty来访问数据成员的目的，因为获取到的是数据成员的指针，所以修改它也是没问题的。

访问成员函数

通过反射访问函数则要复杂一些，因为要处理参数传递和返回值的接收问题。

前面已经提到了，UE的反射成员函数会生成UFunction对象，函数的反射信息就在它里面，因为UFUNCTION是只能标记在继承自UObject的类中，所以UE封装了一套基于UObject的反射函数调用方式：

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// defined in UObject
virtual void ProcessEvent
(
    UFunction * Function,
    void * Parms
)

只有两个参数，第一个是传入UFunction的指针，第二个是void*指针，作为通用的方式来传递参数和接收返回值。
对于标记为UFUNCTION的函数，UHT会为该函数生成一个Thunk函数，形如以下形式：

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DEFINE_FUNCTION(URefObject::execfunc)
{
    P_GET_PROPERTY(FIntProperty,Z_Param_InIval);
    P_FINISH;
    P_NATIVE_BEGIN;
    *(bool*)Z_Param__Result=P_THIS->func(Z_Param_InIval);
    P_NATIVE_END;
}

把DEFINE_FUNCTION宏展开之后就是固定的原型了：

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#define DEFINE_FUNCTION(func) void func( UObject* Context, FFrame& Stack, RESULT_DECL )
void URefObject::execfunc( UObject* Context, FFrame& Stack, RESULT_DECL )

在ProcessEvent会按照这个统一的原型去调用反射函数的Thunk函数，在从Thunk函数转发给真正的C++函数，实现基于反射调用到真正C++函数的目的，当然也可以通过在UFUNCTION中添加CustomThunk标记，不让UHT生成函数的Thunk函数，自己手动提供，可以用来解决特殊的需求（如unlua中的覆写）。

现在回到ProcessEvent，它的函数原型中有三个关键点：

  1. ProcessEvent是UObject的成员函数
  2. ProcessEvent的第一个参数要是当前类中的UFunction
  3. void* Parms必须要是连续内存结构

着重要讲的就是void* Parms怎么用。

首先，对于示例函数：

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bool func(int32 InIval);

它接收一个参数，并返回一个bool值，如何通过一个参数来同时做这两件事情呢？

把他们封装为一个结构！如同下面这种形式：

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struct RefObject_eventFunc_Parms
{
	int32 ival;
	bool ReturnValue;
};

要传递给函数的参数排在前面，返回值为最后一个数据成员（如果有的话）。而且，也是可以通过UFunction::ParmsSize得到当前函数所有参数+返回值结构的大小，在运行时动态分配，并且可以通过UFunction的各个参数FProperty来访问到每个参数的内存，这部分内容暂时按下不表，后面的文章会详细的介绍。

所以，当我们通过UClass拿到指定的UFunction之后就可以做这个事情了：

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for(TFieldIterator<UFunction> PropertyIter(GetClass());PropertyIter;++PropertyIter)
{
    UFunction* FuncIns = *PropertyIter;
    if(FuncIns->GetName().Equals(TEXT("func")))
    {
        struct RefObject_eventFunc_Parms
        {
            int32 ival;
            bool ReturnValue;
        }func_params;
        func_params.ival = 111;
        this->ProcessEvent(FuncIns,&func_params);
        UE_LOG(LogTemp,Log,TEXT("call func return: %s"),func_params.ReturnValue?TEXT("true"):TEXT("false"));
    }
    UE_LOG(LogTemp,Log,TEXT("Function Name: %s"),*FuncIns->GetName());
}

但是这样基于反射机制的函数调用有一个问题：无法处理参数和返回值为引用的情况。如：

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UFUNCTION()
	int32& Add(int32 R, int32& L);
UFUNCTION()
	int32 Add(int32 R, int32 L);

这两个函数生成的反射信息一摸一样！（对 L 参数生成的 FProperty 的 Flag 会多一个 CPF_OutParm，返回值的 FProperty 还具有 CPF_ReturnParm）。

因为C++的引用必须要在初始化时进行绑定的：

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class ClassRef
{
public:
	ClassRef(int& InIval):ival(InIval){}
    int& ival;
};
// instance
int ival =666;
ClassRef obj(ival);

这就对UHT的参数结构造成了限制，因为默认情况下UHT给每个反射函数生成了参数结构，是通过先实例化，再把真正的参数赋值给该实例中成员的，就跟上面的例子一样，做了一次值拷贝。而引用无法修改，只能在初始化时设置。在调用ProcessEvent时，真正调用到C++函数的时候，如果参数有引用则是绑定到的该UHT生成的结构中数据成员，而不是我们真实传递的参数。

基于反射的函数调用实际上进行了两步操作：

  1. 把参数赋值给ProcessEvent的函数参数结构
  2. ProcessEvent再把参数结构传递给真正的C++函数

这会造成通过 UFunction* 调用ProcessEvent传递的参数和想要获取的返回值也都只是原始参数的一份拷贝，而不是真正绑定的引用关系（因为本来调用时的参数传递到 ProcessEvent 之前都会被赋值到 UHT 创建出来的参数结构），在真正的C++函数中对引用参数的修改也只能改动UHT生产的参数结构实例，而非我们传递的真正的参数。

本篇文章对UE的反射做了一个简单的介绍，并示例了通过UClass获取反射信息来访问数据成员和成员函数的方式，UE中反射的实现会在后续的文章中详细介绍，下一篇会介绍UE反射实现所依赖的C++特性，目前文章已发表：UE4 反射实现分析：C++ 特性。

参考资料：

全文完，若有不足之处请评论指正。

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本文标题:UE反射实现分析：基础概念
文章作者:查利鹏
发布时间:2020年12月12日 23时56分
本文字数:本文一共有3.4k字
原始链接:https://imzlp.com/posts/12624/
许可协议: CC BY-NC-SA 4.0
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