反射是一种编程语言能力，允许程序在运行时查询和操纵对象的类型信息。它广泛应用于对象序列化、远程过程调用、测试框架、和依赖注入等场景。 由于C++语言本身的反射能力比较弱，因此C++生态种出现了许多有趣的反射库和实现思路。我们在本文一起探讨其中的奥秘。
反射实现类型
高级反射的两种实现思路分别是编译时反射和运行时反射。
编译时反射
编译时反射 (Compile-time Reflection) 在C++中通常依赖模板元编程来实现。这种反射在编译时确定类型信息，不需要动态类型识别 (RTTI)。这种方法的优点在于可以生成性能更优的代码，减小二进制文件的大小，因为所有的类型信息在编译时都已确定，不需要在运行时查询。
优点
性能：由于类型信息在编译时就已确定，可以避免运行时查找，从而提高性能。
二进制大小：不需要存储额外的类型信息，可以减小最终二进制文件的大小。
确定性：编译时反射的结果在编译完成后就已确定，这给程序的行为带来了确定性。
缺点
维护成本：需要手动注册每个需要反射的类型和成员，增加了代码的维护难度。
灵活性较差：程序一旦编译完成，无法改变其反射的行为。
实现原理
在C++中，编译时反射通常利用模板特化和宏定义来实现类型注册。 https://github.com/Ubpa/USRefl/tree/master库就是一个典型的编译时反射的库。 编译时反射库的使用往往需要入侵源码，下面是一个简单的使用TypeInfo特化来注册类型信息的示例：
struct Point {
float x, y;
};
template<>
struct TypeInfo
static constexpr FieldList fields = {
Field {
"x", &Point::x },
Field {
"y", &Point::y }
};
};
在这个例子中，我们为Point类型特化了TypeInfo模板类，定义了一个静态的fields字段列表，其中包含了Point结构体的成员变量。 下面是上面的编译时反射的使用示例，它演示了如何遍历Point结构体的字段：
TypeInfo
std::cout << field.name << std::endl;
});
如果需要不入侵源码，还有一种做法是通过代码预处理技术实现生成反射的类型信息，使用这种技术实现反射最著名的莫过于Qt的元反射机制和元对象编译器MOC。
Qt的反射机制
代码预处理技术通过预处理步骤生成或修改源代码，从而实现反射。 Qt框架通过一个称为Meta-Object Compiler (MOC)的元对象编译器来提供反射能力。MOC是一个代码预处理器，它在C++编译之前运行，扫描源代码中的特殊宏（如Q_OBJECT、signals、slots），并生成额外的C++代码，这些代码包含了类型信息和用于信号与槽机制的元信息。
例如，如果一个类需要使用Qt的信号和槽机制，则必须在类定义中包含Q_OBJECT宏：
#include
class MyClass : public QObject {
Q_OBJECT
public:
MyClass(QObject* parent = nullptr);
virtual ~MyClass();
signals:
void mySignal();
public slots:
void mySlot();
};
MOC会识别Q_OBJECT宏，并为MyClass生成额外的C++代码文件，这个文件包含了反射需要的元信息。这些信息允许在运行时查询类的信号和槽，以及进行信号和槽之间的连接。
使用Qt的MOC技术，开发者可以在运行时执行类似如下的动态操作：
MyClass myObject;
QMetaObject::invokeMethod(&myObject, "mySlot");
上述代码将在运行时调用mySlot槽函数，而不需要在编译时知道该槽的存在。
代码预处理的优势和挑战
代码预处理技术的优势在于它能够在不改变C++语言本身的情况下实现反射。这种方法灵活且与编译器无关，可以跨平台使用。
然而，这种技术也有其挑战和缺点：
额外的构建步骤：需要在编译前运行预处理器，这使得构建过程更复杂。
开发工具的兼容性：一些集成开发环境（IDE）和代码编辑器可能需要特殊配置或插件来支持这种预处理步骤。
额外的学习成本：开发者需要学习额外的宏和注解方式，这增加了学习和使用框架的难度。
虽然C++标准不直接支持反射，但通过编译器扩展和代码预处理技术，开发者们仍然能够在C++中实现类似反射的功能。这些技术在实践中证明了其有效性，并在许多项目中得到了成功的应用。
运行时反射
运行时反射 (Runtime Reflection) 是许多动态语言（如Python、Java和C#）的标准功能。C++的RTTI提供了有限的运行时反射能力，例如通过typeid和dynamic_cast获取类型信息和进行类型转换。
优点
灵活性：可以在程序运行时查询和操纵类型信息，为动态行为提供了可能。
自动化：大多数支持运行时反射的语言会自动处理类型信息的注册和管理。
缺点
性能开销：运行时查询类型信息需要时间，可能会影响性能。
二进制大小：需要存储额外的类型信息，增加了二进制文件的大小。
实现原理
运行时反射依靠语言运行时系统在内存中维护类型信息。在C++中，RTTI提供了typeid操作符来获取对象的类型信息：
Point p;
std::cout << typeid(p).name() << std::endl;
使用示例
在Java中，运行时反射的使用示例可能如下所示：
Class clazz = Class.forName("java.lang.String");
Method[] methods = clazz.getDeclaredMethods();
for (Method method : methods) {
System.out.println(method.getName());
}
C++为什么不直接支持一流的反射
C++作为一种静态类型语言，它的设计哲学强调性能和内存控制。直接支持运行时反射将违背这种设计哲学，因为运行时反射需要在内存中维护类型信息的数据结构，这会增加额外的内存和性能开销。
此外，C++的编译模型和链接模型也不适合直接支持反射。C++程序通常由多个翻译单元组成，它们在链接时才最终形成一个程序。这使得在编译时跨翻译单元维护类型信息变得困难。
C++的未来发展趋势
C++社区和标准委员会正在探索如何在未来的标准中增加反射的支持。最新的C++标准已经包含了一些反射相关的提案，比如静态反射，这表明C++正逐步朝着增强其反射能力的方向发展。
最后，一起实现一个最简单的C++编译时反射功能吧
编写一个最简单的C++编译时反射库涉及到模板元编程和一些宏定义。下面是一个非常基础的版本，这个反射库仅支持遍历字段名称和获取字段值。
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
namespace refl