• unreal3对象管理模块分析


    凡是稍微大一点的引擎框架,必然都要自己搞一套对象管理机制,如mfc、qt、glib等等,unreal自然也不例外。

    究其原因,还是c++这种静态语言天生的不足,缺乏运行时类型操作功能,对于复杂庞大的逻辑层来说极为不便,查错和调优都很困难。

    因此,这类框架自制对象管理模块的功能通常都包括:

    1、运行时类型信息获取

      a、总共有哪些类,各自之间的继承关系怎样?简单来说,能否在运行时print一个类的继承链图出来。

      b、给你一个最基类指针,你能准确知道他实际是哪个子类的,有哪些方法、属性?

    2、运行时类型创建及调用

      a、给你一个字符串名字,能否创建该类的对象?

      b、给你一些字符串方法或属性名,能否调用之?包括正确的参数和返回值处理

    3、对象生命期的管理

      a、所有已创建的对象,是否都能追踪遍历?

      b、对象所占据内存,是否都有分门别类统计?

      c、对象是否支持gc?

    4、各种杂项

      a、对象是否支持序列化?

      b、对象是否支持由脚本创建调用?

      c、对象是否支持设计时模式?也就是在编辑里呈现出另一种效果,可即时修改属性观察变化。

    以上种种,通常都被各类框架不厌其烦的实现很多次了,即使在自己写的稍大一点的项目里,也或多或少做过类似的事,区别只是所谓商业级引擎,会做得更极致,更完善罢了。

    而这些功能,其实都是java里的标配,在c++里却不得不各种重新发明轮子,这也说明c++在大工程架构方面先天不足,惟一的优势就是速度快,而游戏引擎极其注重性能,所以不得不在c++的基础上,重新添加大量类Java功能,以求性能和易用的结合。

    在unreal3里,实现此模块的两个核心类分别是:

    1、UObject:基本上是所有逻辑层类的祖基类,“一切皆是对象”,而每个对象必定属于一个类型,所以UObject里面有一个UClass* Class字段,就指向它的类型

    2、UClass:这个就是表示一个类型的类,与UObject有大量的子类不同,UClass没有子类,它只是用不同的实例(携带不同属性)来表示各种类型。

    举例来说,UObject的两个子类UCommandlet和UComponent,分别代表命令小工具和组件,它们各自有一个对应的UClass实例来描述自身类型信息。每一个Unrealscript类,也都有一个UClass实例与之对应。

    这些UClass实例的创建过程也正好分类两类:

    一是native类,即生成了C++头文件的,那么其中就包含相应的创建代码,相当于是手动写死链接的。

    二是纯脚本类,它们的UClass实例是在加载Package时,由解析代码动态创建的。

    UObject类型系统的实现:

    在每个UObject子类的声明里,都有类似如下的宏:

    DECLARE_ABSTRACT_CLASS(UCommandlet,UObject,0|CLASS_Transient,Core)

    其中DECLARE_ABSTRACT_CLASS可能有DECLARE_CLASS、DECLARE_CASTED_CLASS、DECLARE_CLASS_INTRINSIC等变种,用于设定继承时的各类性质差别,其核心最后都转到【DECLARE_BASE_CLASS_LIGHTWEIGHT】:

    #define DECLARE_BASE_CLASS_LIGHTWEIGHT( TClass, TSuperClass, TStaticFlags, TStaticCastFlags, TPackage ) 
    public: 
        friend void AutoCheckNativeClassSizes##TPackage( UBOOL& Mismatch ); 
        /* Identification */ 
        enum {StaticClassFlags=TStaticFlags}; 
        enum {StaticClassCastFlags=TStaticCastFlags}; 
        private: 
        static UClass* PrivateStaticClass; 
        TClass & operator=(TClass const &);   
        public: 
        typedef TSuperClass Super;
        typedef TClass ThisClass;
        static UClass* GetPrivateStaticClass##TClass( const TCHAR* Package ); 
        static void InitializePrivateStaticClass##TClass(); 
        static UClass* StaticClass() 
        { 
            if (!PrivateStaticClass) 
            { 
                PrivateStaticClass = GetPrivateStaticClass##TClass( TEXT(#TPackage) ); 
                InitializePrivateStaticClass##TClass(); 
            } 
            return PrivateStaticClass; 
        } 
        void* operator new( const size_t InSize, UObject* InOuter=(UObject*)GetTransientPackage(), FName InName=NAME_None, EObjectFlags InSetFlags=0 ) 
            { return StaticAllocateObject( StaticClass(), InOuter, InName, InSetFlags ); } 
        void* operator new( const size_t InSize, EInternal* InMem ) 
            { return (void*)InMem; }

    这里的关键:

    1、static UClass* PrivateStaticClass; 这就是每个类型对应的那个UClass*实例了

    2、static UClass* StaticClass(); 这个就是初始化函数,在程序启动时,每个包每个(native)类的该函数都会被调用,相当于注册,其中通过GetPrivateStaticClasssXXX来创建UClass*实例,然后调用InitializePrivateStaticClassXXX来初始化其属性。这两个函数的实现在后面说明。

    3、重载了两个new操作符,也就是设定了其内存分配函数到自己的StaticAllocateObject中,里面执行大量跟踪统计逻辑。

    然后在每个UObject子类的实现中,都有如下宏:

    IMPLEMENT_CLASS(UCommandlet);

    最后展开为:

    #define IMPLEMENT_CLASS_LIGHTWEIGHT(TClass) 
        UClass* TClass::PrivateStaticClass = NULL; 
        UClass* TClass::GetPrivateStaticClass##TClass( const TCHAR* Package ) 
        { 
            UClass* ReturnClass; 
            ReturnClass = ::new UClass 
            ( 
                EC_StaticConstructor, 
                sizeof(TClass), 
                StaticClassFlags, 
                StaticClassCastFlags, 
                TEXT(#TClass) + 1 + ((StaticClassFlags & CLASS_Deprecated) ? 11 : 0), 
                Package, 
                StaticConfigName(), 
                RF_Public | RF_Standalone | RF_Transient | RF_Native | RF_RootSet | RF_DisregardForGC, 
                (void(*)(void*))TClass::InternalConstructor, 
                (void(UObject::*)())&TClass::StaticConstructor, 
                (void(UObject::*)())&TClass::InitializeIntrinsicPropertyValues 
            ); 
            check(ReturnClass); 
            return ReturnClass; 
        } 
        /* Called from ::StaticClass after GetPrivateStaticClass */ 
        void TClass::InitializePrivateStaticClass##TClass() 
        { 
            InitializePrivateStaticClass( TClass::Super::StaticClass(), TClass::PrivateStaticClass, TClass::WithinClass::StaticClass() ); 
        }

    这里就是GetPrivateStaticClasssXXX和InitializePrivateStaticClassXXX的定义了。

    GetPrivateStaticClasssXXX里面:以【EC_StaticConstructor模式】(一般静态链接都是这种,如使用dll动态链接则会走另一套流程)new了一个UClass出来,注意这里new前面的::,即全局默认new,并非上面被重载过的StaticAllocateObject,也就是说UClass是一类特殊的UObject,它的内存分配不需要走专用流程,最后其返回值会存在PrivateStaticClass静态变量,达到每个类一个UClass*实例的目的。

    InitializePrivateStaticClassXXX里面:以父类的UClass、自己的UClass、外包类的UClass为参数,调用InitializePrivateStaticClass进行初始化,其内容也很简单:

    void InitializePrivateStaticClass( class UClass* TClass_Super_StaticClass, class UClass* TClass_PrivateStaticClass, class UClass* TClass_WithinClass_StaticClass )
    {
        /* No recursive ::StaticClass calls allowed. Setup extras. */
        if (TClass_Super_StaticClass != TClass_PrivateStaticClass)
        {
            TClass_PrivateStaticClass->SuperStruct = TClass_Super_StaticClass;
        }
        else
        {
            TClass_PrivateStaticClass->SuperStruct = NULL;
        }
        TClass_PrivateStaticClass->ClassWithin = TClass_WithinClass_StaticClass;
        TClass_PrivateStaticClass->SetClass(UClass::StaticClass());
    
        /* Perform UObject native registration. */
        if( TClass_PrivateStaticClass->GetInitialized() && TClass_PrivateStaticClass->GetClass()==TClass_PrivateStaticClass->StaticClass() )
        {
            TClass_PrivateStaticClass->Register();
        }
    }

    除了设置SuperStruct、ClassWithin等字段引用相应对象外,有趣的一句是setClass那里:它将自己设成了自己的Class。

    前面说过“一切皆是对象”、“对象必有类型”,那么推出“类型也必是对象”,于是“类型对象也要有类型”,似乎要陷入死循环了,这里就用此种特殊的方式终止了循环:当一个对象的Class属性指向UClass::StaticClass()时,它自身必是一个UClass对象。

    另外,注意InitializePrivateStaticClassXXX的实参:它本是在当前类的StaticClass中被调用,但又调用了另2个类的StaticClass()函数(加上UClass::StaticClass()就有3个),所以可能引发递归调用:

    上例发生的原因是:首先调用根基类UObject::StaticClass(),在创建好它的UClass实例后调InitializePrivateStaticClass做初始化,其中又调用到UClass::StaticClass()(setClass那句),而UClass的WithinClass为UPackage,所以又进入了UPackage::StaticClass()……

    直到各种基类初始化完成后,才逐步下降还原到当前层。

    而顶层的UObject中,也声明了必要的边界条件以结束此递归:

    class UObject
    #if VTABLE_AT_END_OF_CLASS
        : public UObjectBase
    #endif
    {
        // Declarations.
        DECLARE_BASE_CLASS(UObject,UObject,CLASS_Abstract|CLASS_NoExport,CASTCLASS_None,Core)
        typedef UObject WithinClass;
        ……
    }

    在这里,TSuperClass和WithinClass都声明为自身,这样一旦PrivateStaticClass被赋值后,后续对StaticClass的调用就不会再转入InitializePrivateStaticClassXXX,而是直接返回已有的PrivateStaticClass了。

    原理大致就如上,再从整体角度观察一下实际流程:

    1、每个工程都有一个AutoInitializeRegistrantsXXX函数(XXX为工程名,如Core,Engine),它主要就是对本工程的所有UObject子类调用StaticClass()做初始化,这个函数是由编译解析脚本时自动生成的。(脚本相关内容后面再详说)

    void AutoInitializeRegistrantsCore( INT& Lookup )
    {
        AUTO_INITIALIZE_REGISTRANTS_CORE
    }
    
    #define AUTO_INITIALIZE_REGISTRANTS_CORE 
        UObject::StaticClass(); 
        GNativeLookupFuncs.Set(FName("Object"), GCoreUObjectNatives); 
        UCommandlet::StaticClass(); 
        UHelpCommandlet::StaticClass(); 
        UComponent::StaticClass(); 
        UDistributionFloat::StaticClass(); 
        GNativeLookupFuncs.Set(FName("DistributionFloat"), GCoreUDistributionFloatNatives); 
        UDistributionVector::StaticClass(); 
        GNativeLookupFuncs.Set(FName("DistributionVector"), GCoreUDistributionVectorNatives); 
        UExporter::StaticClass(); 

    由于上面提到递归调用问题,各类初始的顺序不一定与代码所写一样,以AUTO_INITIALIZE_REGISTRANTS_CORE为例,它里面各类的实际顺序如下:(倒过来看)

    第一个是UObject,第二个是UClass,可见其重要性。

    2、这些AutoInitializeRegistrantsXXX函数在程序启动时被调用,它们为所包含的所有UObject子类调用StaticClass()函数

    3、每个UObject子类的StaticClass()函数里会new出其对应的UClass*实例,存放在该类的PrivateStaticClass静态变量上。

    以上就是各类及其UClass生成的过程了,至于UClass里面到底有什么,后续再分析。

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