chiark / gitweb /
45f76b629b657481a3a854c07a9c6ab41a749f13
[sod] / doc / concepts.tex
1 %%% -*-latex-*-
2 %%%
3 %%% Conceptual background
4 %%%
5 %%% (c) 2015 Straylight/Edgeware
6 %%%
7
8 %%%----- Licensing notice ---------------------------------------------------
9 %%%
10 %%% This file is part of the Sensible Object Design, an object system for C.
11 %%%
12 %%% SOD is free software; you can redistribute it and/or modify
13 %%% it under the terms of the GNU General Public License as published by
14 %%% the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
15 %%% (at your option) any later version.
16 %%%
17 %%% SOD is distributed in the hope that it will be useful,
18 %%% but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
19 %%% MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
20 %%% GNU General Public License for more details.
21 %%%
22 %%% You should have received a copy of the GNU General Public License
23 %%% along with SOD; if not, write to the Free Software Foundation,
24 %%% Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston, MA 02111-1307, USA.
25
26 \chapter{Concepts} \label{ch:concepts}
27
28 %%%--------------------------------------------------------------------------
29 \section{Modules} \label{sec:concepts.modules}
30
31 A \emph{module} is the top-level syntactic unit of input to the Sod
32 translator.  As described above, given an input module, the translator
33 generates C source and header files.
34
35 A module can \emph{import} other modules.  This makes the type names and
36 classes defined in those other modules available to class definitions in the
37 importing module.  Sod's module system is intentionally very simple.  There
38 are no private declarations or attempts to hide things.
39
40 As well as importing existing modules, a module can include a number of
41 different kinds of \emph{items}:
42 \begin{itemize}
43 \item \emph{class definitions} describe new classes, possibly in terms of
44   existing classes;
45 \item \emph{type name declarations} introduce new type names to Sod's
46   parser;\footnote{%
47     This is unfortunately necessary because C syntax, upon which Sod's input
48     language is based for obvious reasons, needs to treat type names
49     differently from other kinds of identifiers.} %
50   and
51 \item \emph{code fragments} contain literal C code to be dropped into an
52   appropriate place in an output file.
53 \end{itemize}
54 Each kind of item, and, indeed, a module as a whole, can have a collection of
55 \emph{properties} associated with it.  A property has a \emph{name} and a
56 \emph{value}.  Properties are an open-ended way of attaching additional
57 information to module items, so extensions can make use of them without
58 having to implement additional syntax.
59
60 %%%--------------------------------------------------------------------------
61 \section{Classes, instances, and slots} \label{sec:concepts.classes}
62
63 For the most part, Sod takes a fairly traditional view of what it means to be
64 an object system.
65
66 An \emph{object} maintains \emph{state} and exhibits \emph{behaviour}.  An
67 object's state is maintained in named \emph{slots}, each of which can store a
68 C value of an appropriate (scalar or aggregate) type.  An object's behaviour
69 is stimulated by sending it \emph{messages}.  A message has a name, and may
70 carry a number of arguments, which are C values; sending a message may result
71 in the state of receiving object (or other objects) being changed, and a C
72 value being returned to the sender.
73
74 Every object is a (direct) instance of some \emph{class}.  The class
75 determines which slots its instances have, which messages its instances can
76 be sent, and which methods are invoked when those messages are received.  The
77 Sod translator's main job is to read class definitions and convert them into
78 appropriate C declarations, tables, and functions.  An object cannot
79 (usually) change its direct class, and the direct class of an object is not
80 affected by, for example, the static type of a pointer to it.
81
82
83 \subsection{Superclasses and inheritance}
84 \label{sec:concepts.classes.inherit}
85
86 \subsubsection{Class relationships}
87 Each class has zero or more \emph{direct superclasses}.
88
89 A class with no direct superclasses is called a \emph{root class}.  The Sod
90 runtime library includes a root class named @|SodObject|; making new root
91 classes is somewhat tricky, and won't be discussed further here.
92
93 Classes can have more than one direct superclass, i.e., Sod supports
94 \emph{multiple inheritance}.  A Sod class definition for a class~$C$ lists
95 the direct superclasses of $C$ in a particular order.  This order is called
96 the \emph{local precedence order} of $C$, and the list which consists of $C$
97 follows by $C$'s direct superclasses in local precedence order is called the
98 $C$'s \emph{local precedence list}.
99
100 The multiple inheritance in Sod works similarly to multiple inheritance in
101 Lisp-like languages, such as Common Lisp, EuLisp, Dylan, and Python, which is
102 very different from how multiple inheritance works in \Cplusplus.\footnote{%
103   The latter can be summarized as `badly'.  By default in \Cplusplus, an
104   instance receives an additional copy of superclass's state for each path
105   through the class graph from the instance's direct class to that
106   superclass, though this behaviour can be overridden by declaring
107   superclasses to be @|virtual|.  Also, \Cplusplus\ offers only trivial
108   method combination (\xref{sec:concepts.methods}), leaving programmers to
109   deal with delegation manually and (usually) statically.} %
110
111 If $C$ is a class, then the \emph{superclasses} of $C$ are
112 \begin{itemize}
113 \item $C$ itself, and
114 \item the superclasses of each of $C$'s direct superclasses.
115 \end{itemize}
116 The \emph{proper superclasses} of a class $C$ are the superclasses of $C$
117 except for $C$ itself.  If a class $B$ is a (direct, proper) superclass of
118 $C$, then $C$ is a \emph{(direct, proper) subclass} of $B$.  If $C$ is a root
119 class then the only superclass of $C$ is $C$ itself, and $C$ has no proper
120 superclasses.
121
122 If an object is a direct instance of class~$C$ then the object is also an
123 (indirect) instance of every superclass of $C$.
124
125 If $C$ has a proper superclass $B$, then $B$ is not allowed to have $C$ has a
126 direct superclass.  In different terms, if we construct a graph, whose
127 vertices are classes, and draw an edge from each class to each of its direct
128 superclasses, then this graph must be acyclic.  In yet other terms, the `is a
129 superclass of' relation is a partial order on classes.
130
131 \subsubsection{The class precedence list}
132 This partial order is not quite sufficient for our purposes.  For each class
133 $C$, we shall need to extend it into a total order on $C$'s superclasses.
134 This calculation is called \emph{superclass linearization}, and the result is
135 a \emph{class precedence list}, which lists each of $C$'s superclasses
136 exactly once.  If a superclass $B$ precedes (resp.\ follows) some other
137 superclass $A$ in $C$'s class precedence list, then we say that $B$ is a more
138 (resp.\ less) \emph{specific} superclass of $C$ than $A$ is.
139
140 The superclass linearization algorithm isn't fixed, and extensions to the
141 translator can introduce new linearizations for special effects, but the
142 following properties are expected to hold.
143 \begin{itemize}
144 \item The first class in $C$'s class precedence list is $C$ itself; i.e.,
145   $C$ is always its own most specific superclass.
146 \item If $A$ and $B$ are both superclasses of $C$, and $A$ is a proper
147   superclass of $B$ then $A$ appears after $B$ in $C$'s class precedence
148   list, i.e., $B$ is a more specific superclass of $C$ than $A$ is.
149 \end{itemize}
150 The default linearization algorithm used in Sod is the \emph{C3} algorithm,
151 which has a number of good properties described in~\cite{FIXME:C3}.
152 It works as follows.
153 \begin{itemize}
154 \item A \emph{merge} of some number of input lists is a single list
155   containing each item that is in any of the input lists exactly once, and no
156   other items; if an item $x$ appears before an item $y$ in any input list,
157   then $x$ also appears before $y$ in the merge.  If a collection of lists
158   have no merge then they are said to be \emph{inconsistent}.
159 \item The class precedence list of a class $C$ is a merge of the local
160   precedence list of $C$ together with the class precedence lists of each of
161   $C$'s direct superclasses.
162 \item If there are no such merges, then the definition of $C$ is invalid.
163 \item Suppose that there are multiple candidate merges.  Consider the
164   earliest position in these candidate merges at which they disagree.  The
165   \emph{candidate classes} at this position are the classes appearing at this
166   position in the candidate merges.  Each candidate class must be a
167   superclass of distinct direct superclasses of $C$, since otherwise the
168   candidates would be ordered by their common subclass's class precedence
169   list.  The class precedence list contains, at this position, that candidate
170   class whose subclass appears earliest in $C$'s local precedence order.
171 \end{itemize}
172
173 \subsubsection{Class links and chains}
174 The definition for a class $C$ may distinguish one of its proper superclasses
175 as being the \emph{link superclass} for class $C$.  Not every class need have
176 a link superclass, and the link superclass of a class $C$, if it exists, need
177 not be a direct superclass of $C$.
178
179 Superclass links must obey the following rule: if $C$ is a class, then there
180 must be no three superclasses $X$, $Y$ and~$Z$ of $C$ such that $Z$ is the
181 link superclass of both $X$ and $Y$.  As a consequence of this rule, the
182 superclasses of $C$ can be partitioned into linear \emph{chains}, such that
183 superclasses $A$ and $B$ are in the same chain if and only if one can trace a
184 path from $A$ to $B$ by following superclass links, or \emph{vice versa}.
185
186 Since a class links only to one of its proper superclasses, the classes in a
187 chain are naturally ordered from most- to least-specific.  The least specific
188 class in a chain is called the \emph{chain head}; the most specific class is
189 the \emph{chain tail}.  Chains are often named after their chain head
190 classes.
191
192 \subsection{Names}
193 \label{sec:concepts.classes.names}
194
195 Classes have a number of other attributes:
196 \begin{itemize}
197 \item A \emph{name}, which is a C identifier.  Class names must be globally
198   unique.  The class name is used in the names of a number of associated
199   definitions, to be described later.
200 \item A \emph{nickname}, which is also a C identifier.  Unlike names,
201   nicknames are not required to be globally unique.  If $C$ is any class,
202   then all the superclasses of $C$ must have distinct nicknames.
203 \end{itemize}
204
205
206 \subsection{Slots} \label{sec:concepts.classes.slots}
207
208 Each class defines a number of \emph{slots}.  Much like a structure member, a
209 slot has a \emph{name}, which is a C identifier, and a \emph{type}.  Unlike
210 many other object systems, different superclasses of a class $C$ can define
211 slots with the same name without ambiguity, since slot references are always
212 qualified by the defining class's nickname.
213
214 \subsubsection{Slot initializers}
215 As well as defining slot names and types, a class can also associate an
216 \emph{initial value} with each slot defined by itself or one of its
217 subclasses.  A class $C$ provides an \emph{initialization message} (see
218 \xref{sec:concepts.lifecycle.birth}, and \xref{sec:structures.root.sodclass})
219 whose methods set the slots of a \emph{direct} instance of the class to the
220 correct initial values.  If several of $C$'s superclasses define initializers
221 for the same slot then the initializer from the most specific such class is
222 used.  If none of $C$'s superclasses define an initializer for some slot then
223 that slot will be left uninitialized.
224
225 The initializer for a slot with scalar type may be any C expression.  The
226 initializer for a slot with aggregate type must contain only constant
227 expressions if the generated code is expected to be processed by a
228 implementation of C89.  Initializers will be evaluated once each time an
229 instance is initialized.
230
231 Slots are initialized in reverse-precedence order of their defining classes;
232 i.e., slots defined by a less specific superclass are initialized earlier
233 than slots defined by a more specific superclass.  Slots defined by the same
234 class are initialized in the order in which they appear in the class
235 definition.
236
237 The initializer for a slot may refer to other slots in the same object, via
238 the @|me| pointer: in an initializer for a slot defined by a class $C$, @|me|
239 has type `pointer to $C$'.  (Note that the type of @|me| depends only on the
240 class which defined the slot, not the class which defined the initializer.)
241
242
243 \subsection{C language integration} \label{sec:concepts.classes.c}
244
245 For each class~$C$, the Sod translator defines a C type, the \emph{class
246 type}, with the same name.  This is the usual type used when considering an
247 object as an instance of class~$C$.  No entire object will normally have a
248 class type,\footnote{%
249   In general, a class type only captures the structure of one of the
250   superclass chains of an instance.  A full instance layout contains multiple
251   chains.  See \xref{sec:structures.layout} for the full details.} %
252 so access to instances is almost always via pointers.
253
254 \subsubsection{Access to slots}
255 The class type for a class~$C$ is actually a structure.  It contains one
256 member for each class in $C$'s superclass chain, named with that class's
257 nickname.  Each of these members is also a structure, containing the
258 corresponding class's slots, one member per slot.  There's nothing special
259 about these slot members: C code can access them in the usual way.
260
261 For example, if @|MyClass| has the nickname @|mine|, and defines a slot @|x|
262 of type @|int|, then the simple function
263 \begin{prog}
264   int get_x(MyClass *m) \{ return (m@->mine.x); \}
265 \end{prog}
266 will extract the value of @|x| from an instance of @|MyClass|.
267
268 All of this means that there's no such thing as `private' or `protected'
269 slots.  If you want to hide implementation details, the best approach is to
270 stash them in a dynamically allocated private structure, and leave a pointer
271 to it in a slot.  (This will also help preserve binary compatibility, because
272 the private structure can grow more members as needed.  See
273 \xref{sec:fixme.compatibility} for more details.)
274
275 \subsubsection{Vtables}
276
277
278 \subsubsection{Class objects}
279 In Sod's object system, classes are objects too.  Therefore classes are
280 themselves instances; the class of a class is called a \emph{metaclass}.  The
281 consequences of this are explored in \xref{sec:concepts.metaclasses}.  The
282 \emph{class object} has the same name as the class, suffixed with
283 `@|__class|'\footnote{%
284   This is not quite true.  @|$C$__class| is actually a macro.  See
285   \xref{sec:structures.layout.additional} for the gory details.} %
286 and its type is usually @|SodClass|; @|SodClass|'s nickname is @|cls|.
287
288 A class object's slots contain or point to useful information, tables and
289 functions for working with that class's instances.  (The @|SodClass| class
290 doesn't define any messages, so it doesn't have any methods.  In Sod, a class
291 slot containing a function pointer is not at all the same thing as a method.)
292
293 \subsubsection{Conversions}
294 Suppose one has a value of type pointer-to-class-type for some class~$C$, and
295 wants to convert it to a pointer-to-class-type for some other class~$B$.
296 There are three main cases to distinguish.
297 \begin{itemize}
298 \item If $B$ is a superclass of~$C$, in the same chain, then the conversion
299   is an \emph{in-chain upcast}.  The conversion can be performed using the
300   appropriate generated upcast macro (see below), or by simply casting the
301   pointer, using C's usual cast operator (or the \Cplusplus\ @|static_cast<>|
302   operator).
303 \item If $B$ is a superclass of~$C$, in a different chain, then the
304   conversion is a \emph{cross-chain upcast}.  The conversion is more than a
305   simple type change: the pointer value must be adjusted.  If the direct
306   class of the instance in question is not known, the conversion will require
307   a lookup at runtime to find the appropriate offset by which to adjust the
308   pointer.  The conversion can be performed using the appropriate generated
309   upcast macro (see below); the general case is handled by the macro
310   \descref{SOD_XCHAIN}{mac}.
311 \item If $B$ is a subclass of~$C$ then the conversion is a \emph{downcast};
312   otherwise the conversion is a~\emph{cross-cast}.  In either case, the
313   conversion can fail: the object in question might not be an instance of~$B$
314   after all.  The macro \descref{SOD_CONVERT}{mac} and the function
315   \descref{sod_convert}{fun} perform general conversions.  They return a null
316   pointer if the conversion fails.  (There are therefore your analogue to the
317   \Cplusplus\ @|dynamic_cast<>| operator.)
318 \end{itemize}
319 The Sod translator generates macros for performing both in-chain and
320 cross-chain upcasts.  For each class~$C$, and each proper superclass~$B$
321 of~$C$, a macro is defined: given an argument of type pointer to class type
322 of~$C$, it returns a pointer to the same instance, only with type pointer to
323 class type of~$B$, adjusted as necessary in the case of a cross-chain
324 conversion.  The macro is named by concatenating
325 \begin{itemize}
326 \item the name of class~$C$, in upper case,
327 \item the characters `@|__CONV_|', and
328 \item the nickname of class~$B$, in upper case;
329 \end{itemize}
330 e.g., if $C$ is named @|MyClass|, and $B$'s name is @|SuperClass| with
331 nickname @|super|, then the macro @|MYCLASS__CONV_SUPER| converts a
332 @|MyClass~*| to a @|SuperClass~*|.  See
333 \xref{sec:structures.layout.additional} for the formal description.
334
335 %%%--------------------------------------------------------------------------
336 \section{Keyword arguments} \label{sec:concepts.keywords}
337
338 In standard C, the actual arguments provided to a function are matched up
339 with the formal arguments given in the function definition according to their
340 ordering in a list.  Unless the (rather cumbersome) machinery for dealing
341 with variable-length argument tails (@|<stdarg.h>|) is used, exactly the
342 correct number of arguments must be supplied, and in the correct order.
343
344 A \emph{keyword argument} is matched by its distinctive \emph{name}, rather
345 than by its position in a list.  Keyword arguments may be \emph{omitted},
346 causing some default behaviour by the function.  A function can detect
347 whether a particular keyword argument was supplied: so the default behaviour
348 need not be the same as that caused by any specific value of the argument.
349
350 Keyword arguments can be provided in three ways.
351 \begin{enumerate}
352 \item Directly, as a variable-length argument tail, consisting (for the most
353   part) of alternating keyword names, as pointers to null-terminated strings,
354   and argument values, and terminated by a null pointer.  This is somewhat
355   error-prone, and the support library defines some macros which help ensure
356   that keyword argument lists are well formed.
357 \item Indirectly, through a @|va_list| object capturing a variable-length
358   argument tail passed to some other function.  Such indirect argument tails
359   have the same structure as the direct argument tails described above.
360   Because @|va_list| objects are hard to copy, the keyword-argument support
361   library consistently passes @|va_list| objects \emph{by reference}
362   throughout its programming interface.
363 \item Indirectly, through a vector of @|struct kwval| objects, each of which
364   contains a keyword name, as a pointer to a null-terminated string, and the
365   \emph{address} of a corresponding argument value.  (This indirection is
366   necessary so that the items in the vector can be of uniform size.)
367   Argument vectors are rather inconvenient to use, but are the only practical
368   way in which a caller can decide at runtime which arguments to include in a
369   call, which is useful when writing wrapper functions.
370 \end{enumerate}
371
372 Keyword arguments are provided as a general feature for C functions.
373 However, Sod has special support for messages which accept keyword arguments
374 (\xref{sec:concepts.methods.keywords}); and they play an essential rôle in
375 the instance construction protocol (\xref{sec:concepts.lifecycle.birth}).
376
377 %%%--------------------------------------------------------------------------
378 \section{Messages and methods} \label{sec:concepts.methods}
379
380 Objects can be sent \emph{messages}.  A message has a \emph{name}, and
381 carries a number of \emph{arguments}.  When an object is sent a message, a
382 function, determined by the receiving object's class, is invoked, passing it
383 the receiver and the message arguments.  This function is called the
384 class's \emph{effective method} for the message.  The effective method can do
385 anything a C function can do, including reading or updating program state or
386 object slots, sending more messages, calling other functions, issuing system
387 calls, or performing I/O; if it finishes, it may return a value, which is
388 returned in turn to the message sender.
389
390 The set of messages an object can receive, characterized by their names,
391 argument types, and return type, is determined by the object's class.  Each
392 class can define new messages, which can be received by any instance of that
393 class.  The messages defined by a single class must have distinct names:
394 there is no `function overloading'.  As with slots
395 (\xref{sec:concepts.classes.slots}), messages defined by distinct classes are
396 always distinct, even if they have the same names: references to messages are
397 always qualified by the defining class's name or nickname.
398
399 Messages may take any number of arguments, of any non-array value type.
400 Since message sends are effectively function calls, arguments of array type
401 are implicitly converted to values of the corresponding pointer type.  While
402 message definitions may ascribe an array type to an argument, the formal
403 argument will have pointer type, as is usual for C functions.  A message may
404 accept a variable-length argument suffix, denoted @|\dots|.
405
406 A class definition may include \emph{direct methods} for messages defined by
407 it or any of its superclasses.
408
409 Like messages, direct methods define argument lists and return types, but
410 they may also have a \emph{body}, and a \emph{rôle}.
411
412 A direct method need not have the same argument list or return type as its
413 message.  The acceptable argument lists and return types for a method depend
414 on the message, in particular its method combination
415 (\xref{sec:concepts.methods.combination}), and the method's rôle.
416
417 A direct method body is a block of C code, and the Sod translator usually
418 defines, for each direct method, a function with external linkage, whose body
419 contains a copy of the direct method body.  Within the body of a direct
420 method defined for a class $C$, the variable @|me|, of type pointer to class
421 type of $C$, refers to the receiving object.
422
423
424 \subsection{Effective methods and method combinations}
425 \label{sec:concepts.methods.combination}
426
427 For each message a direct instance of a class might receive, there is a set
428 of \emph{applicable methods}, which are exactly the direct methods defined on
429 the object's class and its superclasses.  These direct methods are combined
430 together to form the \emph{effective method} for that particular class and
431 message.  Direct methods can be combined into an effective method in
432 different ways, according to the \emph{method combination} specified by the
433 message.  The method combination determines which direct method rôles are
434 acceptable, and, for each rôle, the appropriate argument lists and return
435 types.
436
437 One direct method, $M$, is said to be more (resp.\ less) \emph{specific} than
438 another, $N$, with respect to a receiving class~$C$, if the class defining
439 $M$ is a more (resp.\ less) specific superclass of~$C$ than the class
440 defining $N$.
441
442 \subsubsection{The standard method combination}
443 The default method combination is called the \emph{standard method
444 combination}; other method combinations are useful occasionally for special
445 effects.  The standard method combination accepts four direct method rôles,
446 called `primary' (the default), @|before|, @|after|, and @|around|.
447
448 All direct methods subject to the standard method combination must have
449 argument lists which \emph{match} the message's argument list:
450 \begin{itemize}
451 \item the method's arguments must have the same types as the message, though
452   the arguments may have different names; and
453 \item if the message accepts a variable-length argument suffix then the
454   direct method must instead have a final argument of type @|va_list|.
455 \end{itemize}
456 Primary and @|around| methods must have the same return type as the message;
457 @|before| and @|after| methods must return @|void| regardless of the
458 message's return type.
459
460 If there are no applicable primary methods then no effective method is
461 constructed: the vtables contain null pointers in place of pointers to method
462 entry functions.
463
464 \begin{figure}
465   \begin{tikzpicture}
466     [>=stealth, thick,
467      order/.append style={color=green!70!black},
468      code/.append style={font=\sffamily},
469      action/.append style={font=\itshape},
470      method/.append style={rectangle, draw=black, thin, fill=blue!30,
471                            text height=\ht\strutbox, text depth=\dp\strutbox,
472                            minimum width=40mm}]
473
474     \def\delgstack#1#2#3{
475       \node (#10) [method, #2] {#3};
476       \node (#11) [method, above=6mm of #10] {#3};
477       \draw [->] ($(#10.north)!.5!(#10.north west) + (0mm, 1mm)$) --
478                  ++(0mm, 4mm)
479         node [code, left=4pt, midway] {next_method};
480       \draw [<-] ($(#10.north)!.5!(#10.north east) + (0mm, 1mm)$) --
481                  ++(0mm, 4mm)
482         node [action, right=4pt, midway] {return};
483       \draw [->] ($(#11.north)!.5!(#11.north west) + (0mm, 1mm)$) --
484                  ++(0mm, 4mm)
485         node [code, left=4pt, midway] {next_method}
486         node (ld) [above] {$\smash\vdots\mathstrut$};
487       \draw [<-] ($(#11.north)!.5!(#11.north east) + (0mm, 1mm)$) --
488                  ++(0mm, 4mm)
489         node [action, right=4pt, midway] {return}
490         node (rd) [above] {$\smash\vdots\mathstrut$};
491       \draw [->] ($(ld.north) + (0mm, 1mm)$) -- ++(0mm, 4mm)
492         node [code, left=4pt, midway] {next_method};
493       \draw [<-] ($(rd.north) + (0mm, 1mm)$) -- ++(0mm, 4mm)
494         node [action, right=4pt, midway] {return};
495       \node (p) at ($(ld.north)!.5!(rd.north)$) {};
496       \node (#1n) [method, above=5mm of p] {#3};
497       \draw [->, order] ($(#10.south east) + (4mm, 1mm)$) --
498                           ($(#1n.north east) + (4mm, -1mm)$)
499         node [midway, right, align=left]
500         {Most to \\ least \\ specific};}
501
502     \delgstack{a}{}{Around method}
503     \draw [<-] ($(a0.south)!.5!(a0.south west) - (0mm, 1mm)$) --
504                ++(0mm, -4mm);
505     \draw [->] ($(a0.south)!.5!(a0.south east) - (0mm, 1mm)$) --
506                ++(0mm, -4mm)
507       node [action, right=4pt, midway] {return};
508
509     \draw [->] ($(an.north)!.6!(an.north west) + (0mm, 1mm)$) --
510                ++(-8mm, 8mm)
511       node [code, midway, left=3mm] {next_method}
512       node (b0) [method, above left = 1mm + 4mm and -6mm - 4mm] {};
513     \node (b1) [method] at ($(b0) - (2mm, 2mm)$) {};
514     \node (bn) [method] at ($(b1) - (2mm, 2mm)$) {Before method};
515     \draw [->, order] ($(bn.west) - (6mm, 0mm)$) -- ++(12mm, 12mm)
516       node [midway, above left, align=center] {Most to \\ least \\ specific};
517     \draw [->] ($(b0.north east) + (-10mm, 1mm)$) -- ++(8mm, 8mm)
518       node (p) {};
519
520     \delgstack{m}{above right=1mm and 0mm of an.west |- p}{Primary method}
521     \draw [->] ($(mn.north)!.5!(mn.north west) + (0mm, 1mm)$) -- ++(0mm, 4mm)
522       node [code, left=4pt, midway] {next_method}
523       node [above right = 0mm and -8mm]
524       {$\vcenter{\hbox{\Huge\textcolor{red}{!}}}
525         \vcenter{\hbox{\begin{tabular}[c]{l}
526                          \textsf{next_method} \\
527                          pointer is null
528                        \end{tabular}}}$};
529
530     \draw [->, color=blue, dotted]
531         ($(m0.south)!.2!(m0.south east) - (0mm, 1mm)$) --
532         ($(an.north)!.2!(an.north east) + (0mm, 1mm)$)
533       node [midway, sloped, below] {Return value};
534
535     \draw [<-] ($(an.north)!.6!(an.north east) + (0mm, 1mm)$) --
536                ++(8mm, 8mm)
537       node [action, midway, right=3mm] {return}
538       node (f0) [method, above right = 1mm and -6mm] {};
539     \node (f1) [method] at ($(f0) + (-2mm, 2mm)$) {};
540     \node (fn) [method] at ($(f1) + (-2mm, 2mm)$) {After method};
541     \draw [<-, order] ($(f0.east) + (6mm, 0mm)$) -- ++(-12mm, 12mm)
542       node [midway, above right, align=center]
543       {Least to \\ most \\ specific};
544     \draw [<-] ($(fn.north west) + (6mm, 1mm)$) -- ++(-8mm, 8mm);
545
546   \end{tikzpicture}
547
548   \caption{The standard method combination}
549   \label{fig:concepts.methods.stdmeth}
550 \end{figure}
551
552 The effective method for a message with standard method combination works as
553 follows (see also~\xref{fig:concepts.methods.stdmeth}).
554 \begin{enumerate}
555
556 \item If any applicable methods have the @|around| rôle, then the most
557   specific such method, with respect to the class of the receiving object, is
558   invoked.
559
560   Within the body of an @|around| method, the variable @|next_method| is
561   defined, having pointer-to-function type.  The method may call this
562   function, as described below, any number of times.
563
564   If there any remaining @|around| methods, then @|next_method| invokes the
565   next most specific such method, returning whichever value that method
566   returns; otherwise the behaviour of @|next_method| is to invoke the before
567   methods (if any), followed by the most specific primary method, followed by
568   the @|around| methods (if any), and to return whichever value was returned
569   by the most specific primary method, as described in the following items.
570   That is, the behaviour of the least specific @|around| method's
571   @|next_method| function is exactly the behaviour that the effective method
572   would have if there were no @|around| methods.  Note that if the
573   least-specific @|around| method calls its @|next_method| more than once
574   then the whole sequence of @|before|, primary, and @|after| methods occurs
575   multiple times.
576
577   The value returned by the most specific @|around| method is the value
578   returned by the effective method.
579
580 \item If any applicable methods have the @|before| rôle, then they are all
581   invoked, starting with the most specific.
582
583 \item The most specific applicable primary method is invoked.
584
585   Within the body of a primary method, the variable @|next_method| is
586   defined, having pointer-to-function type.  If there are no remaining less
587   specific primary methods, then @|next_method| is a null pointer.
588   Otherwise, the method may call the @|next_method| function any number of
589   times.
590
591   The behaviour of the @|next_method| function, if it is not null, is to
592   invoke the next most specific applicable primary method, and to return
593   whichever value that method returns.
594
595   If there are no applicable @|around| methods, then the value returned by
596   the most specific primary method is the value returned by the effective
597   method; otherwise the value returned by the most specific primary method is
598   returned to the least specific @|around| method, which called it via its
599   own @|next_method| function.
600
601 \item If any applicable methods have the @|after| rôle, then they are all
602   invoked, starting with the \emph{least} specific.  (Hence, the most
603   specific @|after| method is invoked with the most `afterness'.)
604
605 \end{enumerate}
606
607 A typical use for @|around| methods is to allow a base class to set up the
608 dynamic environment appropriately for the primary methods of its subclasses,
609 e.g., by claiming a lock, and restore it afterwards.
610
611 The @|next_method| function provided to methods with the primary and
612 @|around| rôles accepts the same arguments, and returns the same type, as the
613 message, except that one or two additional arguments are inserted at the
614 front of the argument list.  The first additional argument is always the
615 receiving object, @|me|.  If the message accepts a variable argument suffix,
616 then the second addition argument is a @|va_list|; otherwise there is no
617 second additional argument; otherwise, In the former case, a variable
618 @|sod__master_ap| of type @|va_list| is defined, containing a separate copy
619 of the argument pointer (so the method body can process the variable argument
620 suffix itself, and still pass a fresh copy on to the next method).
621
622 A method with the primary or @|around| rôle may use the convenience macro
623 @|CALL_NEXT_METHOD|, which takes no arguments itself, and simply calls
624 @|next_method| with appropriate arguments: the receiver @|me| pointer, the
625 argument pointer @|sod__master_ap| (if applicable), and the method's
626 arguments.  If the method body has overwritten its formal arguments, then
627 @|CALL_NEXT_METHOD| will pass along the updated values, rather than the
628 original ones.
629
630 A primary or @|around| method which invokes its @|next_method| function is
631 said to \emph{extend} the message behaviour; a method which does not invoke
632 its @|next_method| is said to \emph{override} the behaviour.  Note that a
633 method may make a decision to override or extend at runtime.
634
635 \subsubsection{Aggregating method combinations}
636 A number of other method combinations are provided.  They are called
637 `aggregating' method combinations because, instead of invoking just the most
638 specific primary method, as the standard method combination does, they invoke
639 the applicable primary methods in turn and aggregate the return values from
640 each.
641
642 The aggregating method combinations accept the same four rôles as the
643 standard method combination, and @|around|, @|before|, and @|after| methods
644 work in the same way.
645
646 The aggregating method combinations provided are as follows.
647 \begin{description} \let\makelabel\code
648 \item[progn] The message must return @|void|.  The applicable primary methods
649   are simply invoked in turn, most specific first.
650 \item[sum] The message must return a numeric type.\footnote{%
651     The Sod translator does not check this, since it doesn't have enough
652     insight into @|typedef| names.} %
653   The applicable primary methods are invoked in turn, and their return values
654   added up.  The final result is the sum of the individual values.
655 \item[product] The message must return a numeric type.  The applicable
656   primary methods are invoked in turn, and their return values multiplied
657   together.  The final result is the product of the individual values.
658 \item[min] The message must return a scalar type.  The applicable primary
659   methods are invoked in turn.  The final result is the smallest of the
660   individual values.
661 \item[max] The message must return a scalar type.  The applicable primary
662   methods are invoked in turn.  The final result is the largest of the
663   individual values.
664 \item[and] The message must return a scalar type.  The applicable primary
665   methods are invoked in turn.  If any method returns zero then the final
666   result is zero and no further methods are invoked.  If all of the
667   applicable primary methods return nonzero, then the final result is the
668   result of the last primary method.
669 \item[or] The message must return a scalar type.  The applicable primary
670   methods are invoked in turn.  If any method returns nonzero then the final
671   result is that nonzero value and no further methods are invoked.  If all of
672   the applicable primary methods return zero, then the final result is zero.
673 \end{description}
674
675 There is also a @|custom| aggregating method combination, which is described
676 in \xref{sec:fixme.custom-aggregating-method-combination}.
677
678
679 \subsection{Sending messages in C} \label{sec:concepts.methods.c}
680
681 Each instance is associated with its direct class [FIXME]
682
683 The effective methods for each class are determined at translation time, by
684 the Sod translator.  For each effective method, one or more \emph{method
685 entry functions} are constructed.  A method entry function has three
686 responsibilities.
687 \begin{itemize}
688 \item It converts the receiver pointer to the correct type.  Method entry
689   functions can perform these conversions extremely efficiently: there are
690   separate method entries for each chain of each class which can receive a
691   message, so method entry functions are in the privileged situation of
692   knowing the \emph{exact} class of the receiving object.
693 \item If the message accepts a variable-length argument tail, then two method
694   entry functions are created for each chain of each class: one receives a
695   variable-length argument tail, as intended, and captures it in a @|va_list|
696   object; the other accepts an argument of type @|va_list| in place of the
697   variable-length tail and arranges for it to be passed along to the direct
698   methods.
699 \item It invokes the effective method with the appropriate arguments.  There
700   might or might not be an actual function corresponding to the effective
701   method itself: the translator may instead open-code the effective method's
702   behaviour into each method entry function; and the machinery for handling
703   `delegation chains', such as is used for @|around| methods and primary
704   methods in the standard method combination, is necessarily scattered among
705   a number of small functions.
706 \end{itemize}
707
708
709 \subsection{Messages with keyword arguments}
710 \label{sec:concepts.methods.keywords}
711
712 A message or a direct method may declare that it accepts keyword arguments.
713 A message which accepts keyword arguments is called a \emph{keyword message};
714 a direct method which accepts keyword arguments is called a \emph{keyword
715 method}.
716
717 While method combinations may set their own rules, usually keyword methods
718 can only be defined on keyword messages, and all methods defined on a keyword
719 message must be keyword methods.  The direct methods defined on a keyword
720 message may differ in the keywords they accept, both from each other, and
721 from the message.  If two superclasses of some common class both define
722 keyword methods on the same message, and the methods both accept a keyword
723 argument with the same name, then these two keyword arguments must also have
724 the same type.  Different applicable methods may declare keyword arguments
725 with the same name but different defaults; see below.
726
727 The keyword arguments acceptable in a message sent to an object are the
728 keywords listed in the message definition, together with all of the keywords
729 accepted by any applicable method.  There is no easy way to determine at
730 runtime whether a particular keyword is acceptable in a message to a given
731 instance.
732
733 At runtime, a direct method which accepts one or more keyword arguments
734 receives an additional argument named @|suppliedp|.  This argument is a small
735 structure.  For each keyword argument named $k$ accepted by the direct
736 method, @|suppliedp| contains a one-bit-wide bitfield member of type
737 @|unsigned|, also named $k$.  If a keyword argument named $k$ was passed in
738 the message, then @|suppliedp.$k$| is one, and $k$ contains the argument
739 value; otherwise @|suppliedp.$k$| is zero, and $k$ contains the default value
740 from the direct method definition if there was one, or an unspecified value
741 otherwise.
742
743 %%%--------------------------------------------------------------------------
744 \section{The object lifecycle} \label{sec:concepts.lifecycle}
745
746 \subsection{Creation} \label{sec:concepts.lifecycle.birth}
747
748 Construction of a new instance of a class involves three steps.
749 \begin{enumerate}
750 \item \emph{Allocation} arranges for there to be storage space for the
751   instance's slots and associated metadata.
752 \item \emph{Imprinting} fills in the instance's metadata, associating the
753   instance with its class.
754 \item \emph{Initialization} stores appropriate initial values in the
755   instance's slots, and maybe links it into any external data structures as
756   necessary.
757 \end{enumerate}
758 The \descref{SOD_DECL}[macro]{mac} handles constructing instances with
759 automatic storage duration (`on the stack').  Similarly, the
760 \descref{SOD_MAKE}[macro]{mac} and the \descref{sod_make}{fun} and
761 \descref{sod_makev}{fun} functions construct instances allocated from the
762 standard @|malloc| heap.  Programmers can add support for other allocation
763 strategies by using the \descref{SOD_INIT}[macro]{mac} and the
764 \descref{sod_init}{fun} and \descref{sod_initv}{fun} functions, which package
765 up imprinting and initialization.
766
767 \subsubsection{Allocation}
768 Instances of most classes (specifically including those classes defined by
769 Sod itself) can be held in any storage of sufficient size.  The in-memory
770 layout of an instance of some class~$C$ is described by the type @|struct
771 $C$__ilayout|, and if the relevant class is known at compile time then the
772 best way to discover the layout size is with the @|sizeof| operator.  Failing
773 that, the size required to hold an instance of $C$ is available in a slot in
774 $C$'s class object, as @|$C$__class@->cls.initsz|.
775
776 It is not in general sufficient to declare, or otherwise allocate, an object
777 of the class type $C$.  The class type only describes a single chain of the
778 object's layout.  It is nearly always an error to use the class type as if it
779 is a \emph{complete type}, e.g., to declare objects or arrays of the class
780 type, or to enquire about its size or alignment requirements.
781
782 Instance layouts may be declared as objects with automatic storage duration
783 (colloquially, `allocated on the stack') or allocated dynamically, e.g.,
784 using @|malloc|.  They may be included as members of structures or unions, or
785 elements of arrays.  Sod's runtime system doesn't retain addresses of
786 instances, so, for example, Sod doesn't make using fancy allocators which
787 sometimes move objects around in memory any more difficult than it needs to
788 be.
789
790 There isn't any way to discover the alignment required for a particular
791 class's instances at runtime; it's best to be conservative and assume that
792 the platform's strictest alignment requirement applies.
793
794 The following simple function correctly allocates and returns space for an
795 instance of a class given a pointer to its class object @<cls>.
796 \begin{prog}
797   void *allocate_instance(const SodClass *cls)                  \\ \ind
798     \{ return malloc(cls@->cls.initsz); \}
799 \end{prog}
800
801 \subsubsection{Imprinting}
802 Once storage has been allocated, it must be \emph{imprinted} before it can be
803 used as an instance of a class, e.g., before any messages can be sent to it.
804
805 Imprinting an instance stores some metadata about its direct class in the
806 instance structure, so that the rest of the program (and Sod's runtime
807 library) can tell what sort of object it is, and how to use it.\footnote{%
808   Specifically, imprinting an instance's storage involves storing the
809   appropriate vtable pointers in the right places in it.} %
810 A class object's @|imprint| slot points to a function which will correctly
811 imprint storage for one of that class's instances.
812
813 Once an instance's storage has been imprinted, it is technically possible to
814 send messages to the instance; however the instance's slots are still
815 uninitialized at this point, the applicable methods are unlikely to do much
816 of any use unless they've been written specifically for the purpose.
817
818 The following simple function imprints storage at address @<p> as an instance
819 of a class, given a pointer to its class object @<cls>.
820 \begin{prog}
821   void imprint_instance(const SodClass *cls, void *p)           \\ \ind
822     \{ cls@->cls.imprint(p); \}
823 \end{prog}
824
825 \subsubsection{Initialization}
826 The final step for constructing a new instance is to \emph{initialize} it, to
827 establish the necessary invariants for the instance itself and the
828 environment in which it operates.
829
830 Details of initialization are necessarily class-specific, but typically it
831 involves setting the instance's slots to appropriate values, and possibly
832 linking it into some larger data structure to keep track of it.  It is
833 possible for initialization methods to attempt to allocate resources, but
834 this must be done carefully: there is currently no way to report an error
835 from object initialization, so the object must be marked as incompletely
836 initialized, and left in a state where it will be safe to tear down later.
837
838 Initialization is performed by sending the imprinted instance an @|init|
839 message, defined by the @|SodObject| class.  This message uses a nonstandard
840 method combination which works like the standard combination, except that the
841 \emph{default behaviour}, if there is no overriding method, is to initialize
842 the instance's slots, as described below, and to invoke each superclass's
843 initialization fragments.  This default behaviour may be invoked multiple
844 times if some method calls on its @|next_method| more than once, unless some
845 other method takes steps to prevent this.
846
847 Slots are initialized in a well-defined order.
848 \begin{itemize}
849 \item Slots defined by a more specific superclasses are initialized after
850   slots defined by a less specific superclass.
851 \item Slots defined by the same class are initialized in the order in which
852   their definitions appear.
853 \end{itemize}
854
855 A class can define \emph{initialization fragments}: pieces of literal code to
856 be executed to set up a new instance.  Each superclass's initialization
857 fragments are executed with @|me| bound to an instance pointer of the
858 appropriate superclass type, immediately after that superclass's slots (if
859 any) have been initialized; therefore, fragments defined by a more specific
860 superclass are executed after fragments defined by a less specific
861 superclass.  A class may define more than one initialization fragment: the
862 fragments are executed in the order in which they appear in the class
863 definition.  It is possible for an initialization fragment to use @|return|
864 or @|goto| for special control-flow effects, but this is not likely to be a
865 good idea.
866
867 The @|init| message accepts keyword arguments
868 (\xref{sec:concepts.methods.keywords}).  The set of acceptable keywords is
869 determined by the applicable methods as usual, but also by the
870 \emph{initargs} defined by the receiving instance's class and its
871 superclasses, which are made available to slot initializers and
872 initialization fragments.
873
874 There are two kinds of initarg definitions.  \emph{User initargs} are defined
875 by an explicit @|initarg| item appearing in a class definition: the item
876 defines a name, type, and (optionally) a default value for the initarg.
877 \emph{Slot initargs} are defined by attaching an @|initarg| property to a
878 slot or slot initializer item: the property's determines the initarg's name,
879 while the type is taken from the underlying slot type; slot initargs do not
880 have default values.  Both kinds define a \emph{direct initarg} for the
881 containing class.
882
883 Initargs are inherited.  The \emph{applicable} direct initargs for an @|init|
884 effective method are those defined by the receiving object's class, and all
885 of its superclasses.  Applicable direct initargs with the same name are
886 merged to form \emph{effective initargs}.  An error is reported if two
887 applicable direct initargs have the same name but different types.  The
888 default value of an effective initarg is taken from the most specific
889 applicable direct initarg which specifies a defalt value; if no applicable
890 direct initarg specifies a default value then the effective initarg has no
891 default.
892
893 All initarg values are made available at runtime to user code --
894 initialization fragments and slot initializer expressions -- through local
895 variables and a @|suppliedp| structure, as in a direct method
896 (\xref{sec:concepts.methods.keywords}).  Furthermore, slot initarg
897 definitions influence the initialization of slots.
898
899 The process for deciding how to initialize a particular slot works as
900 follows.
901 \begin{enumerate}
902 \item If there are any slot initargs defined on the slot, or any of its slot
903   initializers, \emph{and} the sender supplied a value for one or more of the
904   corresponding effective initargs, then the value of the most specific slot
905   initarg is stored in the slot.
906 \item Otherwise, if there are any slot initializers defined which include an
907   initializer expression, then the initializer expression from the most
908   specific such slot initializer is evaluated and its value stored in the
909   slot.
910 \item Otherwise, the slot is left uninitialized.
911 \end{enumerate}
912 Note that the default values (if any) of effective initargs do \emph{not}
913 affect this procedure.
914
915
916 \subsection{Destruction}
917 \label{sec:concepts.lifecycle.death}
918
919 Destruction of an instance, when it is no longer required, consists of two
920 steps.
921 \begin{enumerate}
922 \item \emph{Teardown} releases any resources held by the instance and
923   disentangles it from any external data structures.
924 \item \emph{Deallocation} releases the memory used to store the instance so
925   that it can be reused.
926 \end{enumerate}
927 Teardown alone, for objects which require special deallocation, or for which
928 deallocation occurs automatically (e.g., instances with automatic storage
929 duration, or instances whose storage will be garbage-collected), is performed
930 using the \descref{sod_teardown}[function]{fun}.  Destruction of instances
931 allocated from the standard @|malloc| heap is done using the
932 \descref{sod_destroy}[function]{fun}.
933
934 \subsubsection{Teardown}
935 Details of teardown are necessarily class-specific, but typically it
936 involves releasing resources held by the instance, and disentangling it from
937 any data structures it might be linked into.
938
939 Teardown is performed by sending the instance the @|teardown| message,
940 defined by the @|SodObject| class.  The message returns an integer, used as a
941 boolean flag.  If the message returns zero, then the instance's storage
942 should be deallocated.  If the message returns nonzero, then it is safe for
943 the caller to forget about instance, but should not deallocate its storage.
944 This is \emph{not} an error return: if some teardown method fails then the
945 program may be in an inconsistent state and should not continue.
946
947 This simple protocol can be used, for example, to implement a reference
948 counting system, as follows.
949 \begin{prog}
950   [nick = ref]                                                  \\
951   class ReferenceCountedObject: SodObject \{                    \\ \ind
952     unsigned nref = 1;                                          \\-
953     void inc() \{ me@->ref.nref++; \}                           \\-
954     [role = around]                                             \\
955     int obj.teardown()                                          \\
956     \{                                                          \\ \ind
957       if (--\,--me@->ref.nref) return (1);                      \\
958       else return (CALL_NEXT_METHOD);                         \-\\
959     \}                                                        \-\\
960   \}
961 \end{prog}
962
963 The @|teardown| message uses a nonstandard method combination which works
964 like the standard combination, except that the \emph{default behaviour}, if
965 there is no overriding method, is to execute the superclass's teardown
966 fragments, and to return zero.  This default behaviour may be invoked
967 multiple times if some method calls on its @|next_method| more than once,
968 unless some other method takes steps to prevent this.
969
970 A class can define \emph{teardown fragments}: pieces of literal code to be
971 executed to shut down an instance.  Each superclass's teardown fragments are
972 executed with @|me| bound to an instance pointer of the appropriate
973 superclass type; fragments defined by a more specific superclass are executed
974 before fragments defined by a less specific superclass.  A class may define
975 more than one teardown fragment: the fragments are executed in the order in
976 which they appear in the class definition.  It is possible for an
977 initialization fragment to use @|return| or @|goto| for special control-flow
978 effects, but this is not likely to be a good idea.  Similarly, it's probably
979 a better idea to use an @|around| method to influence the return value than
980 to write an explicit @|return| statement in a teardown fragment.
981
982 \subsubsection{Deallocation}
983 The details of instance deallocation are obviously specific to the allocation
984 strategy used by the instance, and this is often orthogonal from the object's
985 class.
986
987 The code which makes the decision to destroy an object may often not be aware
988 of the object's direct class.  Low-level details of deallocation often
989 require the proper base address of the instance's storage, which can be
990 determined using the \descref{SOD_INSTBASE}[macro]{mac}.
991
992 %%%--------------------------------------------------------------------------
993 \section{Metaclasses} \label{sec:concepts.metaclasses}
994
995 %%%--------------------------------------------------------------------------
996 \section{Compatibility considerations} \label{sec:concepts.compatibility}
997
998 Sod doesn't make source-level compatibility especially difficult.  As long as
999 classes, slots, and messages don't change names or dissappear, and slots and
1000 messages retain their approximate types, everything will be fine.
1001
1002 Binary compatibility is much more difficult.  Unfortunately, Sod classes have
1003 rather fragile binary interfaces.\footnote{%
1004   Research suggestion: investigate alternative instance and vtable layouts
1005   which improve binary compatibility, probably at the expense of instance
1006   compactness, and efficiency of slot access and message sending.  There may
1007   be interesting trade-offs to be made.} %
1008
1009 If instances are allocated [FIXME]
1010
1011 %%%----- That's all, folks --------------------------------------------------
1012
1013 %%% Local variables:
1014 %%% mode: LaTeX
1015 %%% TeX-master: "sod.tex"
1016 %%% TeX-PDF-mode: t
1017 %%% End: