浅谈QEMU的对象系统

众所周知，C语言并没有原生的面向对象系统，于是乎出现了各种奇妙的C语言面向对象的解决方案，最有名的就是Linux内核里面往对象里插struct **_operation{}作为多态支持的解决方案，这里QEMU为了实现对多种虚拟设备的支持，提供了一套基本工具作为解决方案，其实在里面可以看到很多C++的影子，就比如说那个object_dynamic_cast_assert，就很C++。

QEMU对象系统的几个关键结构

当然，并不意外的是，QEMU的对象支持也是以结构体作为支持基础的，它提供了大概Object、ObjectClass、TypeInfo、TypeImpl几个关键数据结构，作为面向对象系统的基本支持。

下面是这几个类型的UML图：

随便找了个在线工具画了个UML图结果导出还有水印…水印你们凑合着看吧哈…

可以看出，对象的核心系统是Object，其实也就是我们常说的对象实例，这个实例实际上只保存了其指向的类型信息即ObjectClass，还有就是其基类的信息，即parent指针。

而ObjectClass就厉害了，其保存了一个关键指针，也就是TypeImpl类型的指针，这就保证了他能够访问到其类型的关键信息，包括类型名name，parent_type和parent，这对于寻找父类还是至关重要的。

TypeImpl保存着最全的类型信息，不但包括类型名、类型大小、是否抽象类、基类名称、基类TypeImpl指针、所指向的ObjectClass、还有InterfaceImpl的相关信息（InterfaceImpl的相关问题我大概在后面写）

而TypeInfo我们可以观察到，并没有任何结构与其相连，那么他是怎么和这三个结构产生关联的呢？其实TypeInfo是面向API使用者的一个工具类，使用者只是在注册类型的时候，提供TypeInfo所包含的信息（包括方法中的回调函数），然后系统会自动生成一个TypeImpl存储起来，至此TypeInfo的生命周期就结束了。

类型的注册过程

一句话讲类型注册系统：QOM维护了一个全局的类型哈希表，可以使用类型名字符串索引到具体的TypeImpl对象，这样一个简单的类型索引系统就跑起来了。

对于一个类管理系统而言，坠好的就是在系统初始化完成的时候，就已经玩成了类管理系统本身的初始化，即所有类都注册好并可以随时调用。QEMU也适时地做到了这一点，它提供了一个type_init的宏，而这个宏其实是module_init宏的一个壳子：

 #define type_init(function) module_init(function, MODULE_INIT_QOM) 复制代码

而这个module_init则声明如下：

static void __attribute__((constructor)) do_qemu_init_ ## function(void) \ { \ register_module_init(function, type); \ } 复制代码

这里我们主要关心这个__attribute__((constructor))

这是一个gcc的扩展，意味着这个函数在main函数调用之前就会被调用，这样看来，如果传入的function函数名为kvm_accel_class_init，这个宏的作用就是生成了一个static void do_qemu_init_kvm_accel_class_init(void)的函数，并保证其在main函数之前被调用，以达到自动初始化的目的。

这样做的好处，其实也很明了，可以极大的方面模块化的开发，开发者只需要调用一个宏，就可以多声明一个类，而不用去思考我声明完成之后要去哪里哪里插一个初始化函数调用。（幽幽地望向辣鸡net-snmp）。

那么我们继续看这个函数，他做了什么呢？他只是简单地调用register_module_init(function, type);把这个类型初始化的function插入到类型链表中去了而已。

这里就说到QOM的全局module链表了，QOM有一个全局的init_type_list，顾名思义，他是类型的链表，其声明为

QTAILQ_HEAD(, ModuleEntry) ModuTypelist; 
static ModuleTypeList init_type_list[MODULE_INIT_MAX];复制代码

可以看出，这是一个链表的数组，而每个链表节点，都是一个模块类型的初始化函数指针，register_module_init的作用，就是找到对应的下标，然后把这个初始化函数指针插入链表中。方便系统在初始化时，调用module_call_init集中初始化。

那么初始化函数中应该做些什么呢？

QOM提供了指导，甚至，我们可以直接看KVM是怎么做的：

static const TypeInfo kvm_accel_type = {
    .name = TYPE_KVM_ACCEL,
    .parent = TYPE_ACCEL,
    .class_init = kvm_accel_class_init,
    .instance_size = sizeof(KVMState),
};

static void kvm_type_init(void)
{
    type_register_static(&kvm_accel_type);
}

type_init(kvm_type_init); 
复制代码

他声明了一个TypeInfo，塞了一些个人信息，然后单纯地调用了type_register_static注册类型。

又是注册类型？这里和之前module的初始化不一样，type_register_staic创建了一个TypeImpl类型，然后把这个类型插入了一个全局的type_table中，key是其name成员，value则指向TypeImpl本身。

这样一套全局的类型注册就完成了，简单而言，QOM维护了一个全局的类型哈希表，可以使用类型名字符串索引到具体的TypeImpl对象，这样一个简单的类型索引系统就跑起来了。

类型的动态转换过程

QOM实现了简单的继承机制，相应地，QOM也提供了一套相对完整的类型转换机制，以实现基类到子类、子类到基类的各种转换。

这里其实是依赖内存布局的，这里的布局与C++几乎一致，子类型的内存布局，起始都是基类型的成员，这样子类转基类只需要一个强制转换就可以搞定了。

而基类转子类就要稍微麻烦一些，你怎么知道这个基类对象就是这个子类对象的实例呢，转错了你负责吗？所幸也不是很麻烦，你看，我们的Object类型和TypeImpl不是都有parent指针嘛，我们还有可以根据类型名索引类型的哈希表，要查一下亲子关系也不是很麻烦，向上遍历parent，查到了你就是，查不到你就不是，就这么简单。

QEMU提供了以下几个宏作为类型转换的基础：

/**
 * OBJECT:
 * @obj: A derivative of #Object
 *
 * Converts an object to a #Object. Since all objects are #Objects,
 * this function will always succeed.
 */
#define OBJECT(obj) \
    ((Object *)(obj))

/**
 * OBJECT_CLASS:
 * @class: A derivative of #ObjectClass.
 *
 * Converts a class to an #ObjectClass. Since all objects are #Objects,
 * this function will always succeed.
 */
#define OBJECT_CLASS(class) \
    ((ObjectClass *)(class))

/**
 * OBJECT_CHECK:
 * @type: The C type to use for the return value.
 * @obj: A derivative of @type to cast.
 * @name: The QOM typename of @type
 *
 * A type safe version of @object_dynamic_cast_assert.  Typically each class
 * will define a macro based on this type to perform type safe dynamic_casts to
 * this object type.
 *
 * If an invalid object is passed to this function, a run time assert will be
 * generated.
 */
#define OBJECT_CHECK(type, obj, name) \
    ((type *)object_dynamic_cast_assert(OBJECT(obj), (name), \
                                        __FILE__, __LINE__, __func__))

/**
 * OBJECT_CLASS_CHECK:
 * @class_type: The C type to use for the return value.
 * @class: A derivative class of @class_type to cast.
 * @name: the QOM typename of @class_type.
 *
 * A type safe version of @object_class_dynamic_cast_assert.  This macro is
 * typically wrapped by each type to perform type safe casts of a class to a
 * specific class type.
 */
#define OBJECT_CLASS_CHECK(class_type, class, name) \
    ((class_type *)object_class_dynamic_cast_assert(OBJECT_CLASS(class), (name), \
                                               __FILE__, __LINE__, __func__))

/**
 * OBJECT_GET_CLASS:
 * @class: The C type to use for the return value.
 * @obj: The object to obtain the class for.
 * @name: The QOM typename of @obj.
 *
 * This function will return a specific class for a given object.  Its generally
 * used by each type to provide a type safe macro to get a specific class type
 * from an object.
 */
#define OBJECT_GET_CLASS(class, obj, name) \
    OBJECT_CLASS_CHECK(class, object_get_class(OBJECT(obj)), name) 复制代码

具体你们自己看吧，注释都说的很清楚了。基本上其类型转换都是调用了两个函数：

object_dynamic_cast_assert和object_class_dynamic_cast_assert，其分别调用了去掉cast的那个函数，而前者则是调用了后者（不同的是前者有一个转换缓存），后者所作，就是简单地向上追溯parent判断其祖辈关系是否成立，能够成立则返回传入的obj自身并进行强制转换，这样就完成了简单地动态类型转换，即dynamic_cast。

总结

QEMU其实实现了一套不错的对象管理系统，包括自动化的对象注册、相对完善的对象管理和比较巧妙的动态转换方式，算是给C语言的OO系统提供了一套不错的思路，可惜受制于语言表达能力，其使用依赖大量的宏，要熟练地使用起这一套东西来，心智负担也并不小，学习曲线还是有些陡峭的，也算是美中不足吧。