chiark / gitweb /
src/method-{proto,impl}.lisp: Introduce `effective-method-live-p' protocol.
[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{Operational model} \label{sec:concepts.model}
30
31 The Sod translator runs as a preprocessor, similar in nature to the
32 traditional Unix \man{lex}{1} and \man{yacc}{1} tools.  The translator reads
33 a \emph{module} file containing class definitions and other information, and
34 writes C~source and header files.  The source files contain function
35 definitions and static tables which are fed directly to a C~compiler; the
36 header files contain declarations for functions and data structures, and are
37 included by source files -- whether hand-written or generated by Sod -- which
38 makes use of the classes defined in the module.
39
40 Sod is not like \Cplusplus: it makes no attempt to `enhance' the C language
41 itself.  Sod module files describe classes, messages, methods, slots, and
42 other kinds of object-system things, and some of these descriptions need to
43 contain C code fragments, but this code is entirely uninterpreted by the Sod
44 translator.\footnote{%
45   As long as a code fragment broadly follows C's lexical rules, and properly
46   matches parentheses, brackets, and braces, the Sod translator will copy it
47   into its output unchanged.  It might, in fact, be some other kind of C-like
48   language, such as Objective~C or \Cplusplus.  Or maybe even
49   Objective~\Cplusplus, because if having an object system is good, then
50   having three must be really awesome.} %
51
52 The Sod translator is not a closed system.  It is written in Common Lisp, and
53 can load extension modules which add new input syntax, output formats, or
54 altered behaviour.  The interface for writing such extensions is described in
55 \xref{p:lisp}.  Extensions can change almost all details of the Sod object
56 system, so the material in this manual must be read with this in mind: this
57 manual describes the base system as provided in the distribution.
58
59 %%%--------------------------------------------------------------------------
60 \section{Modules} \label{sec:concepts.modules}
61
62 A \emph{module} is the top-level syntactic unit of input to the Sod
63 translator.  As described above, given an input module, the translator
64 generates C source and header files.
65
66 A module can \emph{import} other modules.  This makes the type names and
67 classes defined in those other modules available to class definitions in the
68 importing module.  Sod's module system is intentionally very simple.  There
69 are no private declarations or attempts to hide things.
70
71 As well as importing existing modules, a module can include a number of
72 different kinds of \emph{items}:
73 \begin{itemize}
74 \item \emph{class definitions} describe new classes, possibly in terms of
75   existing classes;
76 \item \emph{type name declarations} introduce new type names to Sod's
77   parser;\footnote{%
78     This is unfortunately necessary because C syntax, upon which Sod's input
79     language is based for obvious reasons, needs to treat type names
80     differently from other kinds of identifiers.} %
81   and
82 \item \emph{code fragments} contain literal C code to be dropped into an
83   appropriate place in an output file.
84 \end{itemize}
85 Each kind of item, and, indeed, a module as a whole, can have a collection of
86 \emph{properties} associated with it.  A property has a \emph{name} and a
87 \emph{value}.  Properties are an open-ended way of attaching additional
88 information to module items, so extensions can make use of them without
89 having to implement additional syntax.
90
91 %%%--------------------------------------------------------------------------
92 \section{Classes, instances, and slots} \label{sec:concepts.classes}
93
94 For the most part, Sod takes a fairly traditional view of what it means to be
95 an object system.
96
97 An \emph{object} maintains \emph{state} and exhibits \emph{behaviour}.  An
98 object's state is maintained in named \emph{slots}, each of which can store a
99 C value of an appropriate (scalar or aggregate) type.  An object's behaviour
100 is stimulated by sending it \emph{messages}.  A message has a name, and may
101 carry a number of arguments, which are C values; sending a message may result
102 in the state of receiving object (or other objects) being changed, and a C
103 value being returned to the sender.
104
105 Every object is a (direct) instance of some \emph{class}.  The class
106 determines which slots its instances have, which messages its instances can
107 be sent, and which methods are invoked when those messages are received.  The
108 Sod translator's main job is to read class definitions and convert them into
109 appropriate C declarations, tables, and functions.  An object cannot
110 (usually) change its direct class, and the direct class of an object is not
111 affected by, for example, the static type of a pointer to it.
112
113
114 \subsection{Superclasses and inheritance}
115 \label{sec:concepts.classes.inherit}
116
117 \subsubsection{Class relationships}
118 Each class has zero or more \emph{direct superclasses}.
119
120 A class with no direct superclasses is called a \emph{root class}.  The Sod
121 runtime library includes a root class named @|SodObject|; making new root
122 classes is somewhat tricky, and won't be discussed further here.
123
124 Classes can have more than one direct superclass, i.e., Sod supports
125 \emph{multiple inheritance}.  A Sod class definition for a class~$C$ lists
126 the direct superclasses of $C$ in a particular order.  This order is called
127 the \emph{local precedence order} of $C$, and the list which consists of $C$
128 follows by $C$'s direct superclasses in local precedence order is called the
129 $C$'s \emph{local precedence list}.
130
131 The multiple inheritance in Sod works similarly to multiple inheritance in
132 Lisp-like languages, such as Common Lisp, EuLisp, Dylan, and Python, which is
133 very different from how multiple inheritance works in \Cplusplus.\footnote{%
134   The latter can be summarized as `badly'.  By default in \Cplusplus, an
135   instance receives an additional copy of superclass's state for each path
136   through the class graph from the instance's direct class to that
137   superclass, though this behaviour can be overridden by declaring
138   superclasses to be @|virtual|.  Also, \Cplusplus\ offers only trivial
139   method combination (\xref{sec:concepts.methods}), leaving programmers to
140   deal with delegation manually and (usually) statically.} %
141
142 If $C$ is a class, then the \emph{superclasses} of $C$ are
143 \begin{itemize}
144 \item $C$ itself, and
145 \item the superclasses of each of $C$'s direct superclasses.
146 \end{itemize}
147 The \emph{proper superclasses} of a class $C$ are the superclasses of $C$
148 except for $C$ itself.  If a class $B$ is a (direct, proper) superclass of
149 $C$, then $C$ is a \emph{(direct, proper) subclass} of $B$.  If $C$ is a root
150 class then the only superclass of $C$ is $C$ itself, and $C$ has no proper
151 superclasses.
152
153 If an object is a direct instance of class~$C$ then the object is also an
154 (indirect) instance of every superclass of $C$.
155
156 If $C$ has a proper superclass $B$, then $B$ is not allowed to have $C$ has a
157 direct superclass.  In different terms, if we construct a graph, whose
158 vertices are classes, and draw an edge from each class to each of its direct
159 superclasses, then this graph must be acyclic.  In yet other terms, the `is a
160 superclass of' relation is a partial order on classes.
161
162 \subsubsection{The class precedence list}
163 This partial order is not quite sufficient for our purposes.  For each class
164 $C$, we shall need to extend it into a total order on $C$'s superclasses.
165 This calculation is called \emph{superclass linearization}, and the result is
166 a \emph{class precedence list}, which lists each of $C$'s superclasses
167 exactly once.  If a superclass $B$ precedes (resp.\ follows) some other
168 superclass $A$ in $C$'s class precedence list, then we say that $B$ is a more
169 (resp.\ less) \emph{specific} superclass of $C$ than $A$ is.
170
171 The superclass linearization algorithm isn't fixed, and extensions to the
172 translator can introduce new linearizations for special effects, but the
173 following properties are expected to hold.
174 \begin{itemize}
175 \item The first class in $C$'s class precedence list is $C$ itself; i.e.,
176   $C$ is always its own most specific superclass.
177 \item If $A$ and $B$ are both superclasses of $C$, and $A$ is a proper
178   superclass of $B$ then $A$ appears after $B$ in $C$'s class precedence
179   list, i.e., $B$ is a more specific superclass of $C$ than $A$ is.
180 \end{itemize}
181 The default linearization algorithm used in Sod is the \emph{C3} algorithm,
182 which has a number of good properties described in~\cite{FIXME:C3}.
183 It works as follows.
184 \begin{itemize}
185 \item A \emph{merge} of some number of input lists is a single list
186   containing each item that is in any of the input lists exactly once, and no
187   other items; if an item $x$ appears before an item $y$ in any input list,
188   then $x$ also appears before $y$ in the merge.  If a collection of lists
189   have no merge then they are said to be \emph{inconsistent}.
190 \item The class precedence list of a class $C$ is a merge of the local
191   precedence list of $C$ together with the class precedence lists of each of
192   $C$'s direct superclasses.
193 \item If there are no such merges, then the definition of $C$ is invalid.
194 \item Suppose that there are multiple candidate merges.  Consider the
195   earliest position in these candidate merges at which they disagree.  The
196   \emph{candidate classes} at this position are the classes appearing at this
197   position in the candidate merges.  Each candidate class must be a
198   superclass of distinct direct superclasses of $C$, since otherwise the
199   candidates would be ordered by their common subclass's class precedence
200   list.  The class precedence list contains, at this position, that candidate
201   class whose subclass appears earliest in $C$'s local precedence order.
202 \end{itemize}
203
204 \subsubsection{Class links and chains}
205 The definition for a class $C$ may distinguish one of its proper superclasses
206 as being the \emph{link superclass} for class $C$.  Not every class need have
207 a link superclass, and the link superclass of a class $C$, if it exists, need
208 not be a direct superclass of $C$.
209
210 Superclass links must obey the following rule: if $C$ is a class, then there
211 must be no three superclasses $X$, $Y$ and~$Z$ of $C$ such that $Z$ is the
212 link superclass of both $X$ and $Y$.  As a consequence of this rule, the
213 superclasses of $C$ can be partitioned into linear \emph{chains}, such that
214 superclasses $A$ and $B$ are in the same chain if and only if one can trace a
215 path from $A$ to $B$ by following superclass links, or \emph{vice versa}.
216
217 Since a class links only to one of its proper superclasses, the classes in a
218 chain are naturally ordered from most- to least-specific.  The least specific
219 class in a chain is called the \emph{chain head}; the most specific class is
220 the \emph{chain tail}.  Chains are often named after their chain head
221 classes.
222
223 \subsection{Names}
224 \label{sec:concepts.classes.names}
225
226 Classes have a number of other attributes:
227 \begin{itemize}
228 \item A \emph{name}, which is a C identifier.  Class names must be globally
229   unique.  The class name is used in the names of a number of associated
230   definitions, to be described later.
231 \item A \emph{nickname}, which is also a C identifier.  Unlike names,
232   nicknames are not required to be globally unique.  If $C$ is any class,
233   then all the superclasses of $C$ must have distinct nicknames.
234 \end{itemize}
235
236
237 \subsection{Slots} \label{sec:concepts.classes.slots}
238
239 Each class defines a number of \emph{slots}.  Much like a structure member, a
240 slot has a \emph{name}, which is a C identifier, and a \emph{type}.  Unlike
241 many other object systems, different superclasses of a class $C$ can define
242 slots with the same name without ambiguity, since slot references are always
243 qualified by the defining class's nickname.
244
245 \subsubsection{Slot initializers}
246 As well as defining slot names and types, a class can also associate an
247 \emph{initial value} with each slot defined by itself or one of its
248 subclasses.  A class $C$ provides an \emph{initialization function} (see
249 \xref{sec:concepts.lifecycle.birth}, and \xref{sec:structures.root.sodclass})
250 which sets the slots of a \emph{direct} instance of the class to the correct
251 initial values.  If several of $C$'s superclasses define initializers for the
252 same slot then the initializer from the most specific such class is used.  If
253 none of $C$'s superclasses define an initializer for some slot then that slot
254 will be left uninitialized.
255
256 The initializer for a slot with scalar type may be any C expression.  The
257 initializer for a slot with aggregate type must contain only constant
258 expressions if the generated code is expected to be processed by a
259 implementation of C89.  Initializers will be evaluated once each time an
260 instance is initialized.
261
262
263 \subsection{C language integration} \label{sec:concepts.classes.c}
264
265 For each class~$C$, the Sod translator defines a C type, the \emph{class
266 type}, with the same name.  This is the usual type used when considering an
267 object as an instance of class~$C$.  No entire object will normally have a
268 class type,\footnote{%
269   In general, a class type only captures the structure of one of the
270   superclass chains of an instance.  A full instance layout contains multiple
271   chains.  See \xref{sec:structures.layout} for the full details.} %
272 so access to instances is almost always via pointers.
273
274 \subsubsection{Access to slots}
275 The class type for a class~$C$ is actually a structure.  It contains one
276 member for each class in $C$'s superclass chain, named with that class's
277 nickname.  Each of these members is also a structure, containing the
278 corresponding class's slots, one member per slot.  There's nothing special
279 about these slot members: C code can access them in the usual way.
280
281 For example, if @|MyClass| has the nickname @|mine|, and defines a slot @|x|
282 of type @|int|, then the simple function
283 \begin{prog}
284   int get_x(MyClass *m) \{ return (m@->mine.x); \}
285 \end{prog}
286 will extract the value of @|x| from an instance of @|MyClass|.
287
288 All of this means that there's no such thing as `private' or `protected'
289 slots.  If you want to hide implementation details, the best approach is to
290 stash them in a dynamically allocated private structure, and leave a pointer
291 to it in a slot.  (This will also help preserve binary compatibility, because
292 the private structure can grow more members as needed.  See
293 \xref{sec:fixme.compatibility} for more details.
294
295 \subsubsection{Class objects}
296 In Sod's object system, classes are objects too.  Therefore classes are
297 themselves instances; the class of a class is called a \emph{metaclass}.  The
298 consequences of this are explored in \xref{sec:concepts.metaclasses}.  The
299 \emph{class object} has the same name as the class, suffixed with
300 `@|__class|'\footnote{%
301   This is not quite true.  @|$C$__class| is actually a macro.  See
302   \xref{sec:structures.layout.additional} for the gory details.} %
303 and its type is usually @|SodClass|; @|SodClass|'s nickname is @|cls|.
304
305 A class object's slots contain or point to useful information, tables and
306 functions for working with that class's instances.  (The @|SodClass| class
307 doesn't define any messages, so it doesn't have any methods.  In Sod, a class
308 slot containing a function pointer is not at all the same thing as a method.)
309
310 \subsubsection{Conversions}
311 Suppose one has a value of type pointer to class type of some class~$C$, and
312 wants to convert it to a pointer to class type of some other class~$B$.
313 There are three main cases to distinguish.
314 \begin{itemize}
315 \item If $B$ is a superclass of~$C$, in the same chain, then the conversion
316   is an \emph{in-chain upcast}.  The conversion can be performed using the
317   appropriate generated upcast macro (see below), or by simply casting the
318   pointer, using C's usual cast operator (or the \Cplusplus\ @|static_cast<>|
319   operator).
320 \item If $B$ is a superclass of~$C$, in a different chain, then the
321   conversion is a \emph{cross-chain upcast}.  The conversion is more than a
322   simple type change: the pointer value must be adjusted.  If the direct
323   class of the instance in question is not known, the conversion will require
324   a lookup at runtime to find the appropriate offset by which to adjust the
325   pointer.  The conversion can be performed using the appropriate generated
326   upcast macro (see below); the general case is handled by the macro
327   \descref{SOD_XCHAIN}{mac}.
328 \item If $B$ is a subclass of~$C$ then the conversion is an \emph{upcast};
329   otherwise the conversion is a~\emph{cross-cast}.  In either case, the
330   conversion can fail: the object in question might not be an instance of~$B$
331   at all.  The macro \descref{SOD_CONVERT}{mac} and the function
332   \descref{sod_convert}{fun} perform general conversions.  They return a null
333   pointer if the conversion fails.  (There are therefore your analogue to the
334   \Cplusplus @|dynamic_cast<>| operator.)
335 \end{itemize}
336 The Sod translator generates macros for performing both in-chain and
337 cross-chain upcasts.  For each class~$C$, and each proper superclass~$B$
338 of~$C$, a macro is defined: given an argument of type pointer to class type
339 of~$C$, it returns a pointer to the same instance, only with type pointer to
340 class type of~$B$, adjusted as necessary in the case of a cross-chain
341 conversion.  The macro is named by concatenating
342 \begin{itemize}
343 \item the name of class~$C$, in upper case,
344 \item the characters `@|__CONV_|', and
345 \item the nickname of class~$B$, in upper case;
346 \end{itemize}
347 e.g., if $C$ is named @|MyClass|, and $B$'s name is @|SuperClass| with
348 nickname @|super|, then the macro @|MYCLASS__CONV_SUPER| converts a
349 @|MyClass~*| to a @|SuperClass~*|.  See
350 \xref{sec:structures.layout.additional} for the formal description.
351
352 %%%--------------------------------------------------------------------------
353 \section{Keyword arguments} \label{sec:concepts.keywords}
354
355 In standard C, the actual arguments provided to a function are matched up
356 with the formal arguments given in the function definition according to their
357 ordering in a list.  Unless the (rather cumbersome) machinery for dealing
358 with variable-length argument tails (@|<stdarg.h>|) is used, exactly the
359 correct number of arguments must be supplied, and in the correct order.
360
361 A \emph{keyword argument} is matched by its distinctive \emph{name}, rather
362 than by its position in a list.  Keyword arguments may be \emph{omitted},
363 causing some default behaviour by the function.  A function can detect
364 whether a particular keyword argument was supplied: so the default behaviour
365 need not be the same as that caused by any specific value of the argument.
366
367 Keyword arguments can be provided in three ways.
368 \begin{enumerate}
369 \item Directly, as a variable-length argument tail, consisting (for the most
370   part) of alternating keyword names, as pointers to null-terminated strings,
371   and argument values, and terminated by a null pointer.  This is somewhat
372   error-prone, and the support library defines some macros which help ensure
373   that keyword argument lists are well formed.
374 \item Indirectly, through a @|va_list| object capturing a variable-length
375   argument tail passed to some other function.  Such indirect argument tails
376   have the same structure as the direct argument tails described above.
377   Because @|va_list| objects are hard to copy, the keyword-argument support
378   library consistently passes @|va_list| objects \emph{by reference}
379   throughout its programming interface.
380 \item Indirectly, through a vector of @|struct kwval| objects, each of which
381   contains a keyword name, as a pointer to a null-terminated string, and the
382   \emph{address} of a corresponding argument value.  (This indirection is
383   necessary so that the items in the vector can be of uniform size.)
384   Argument vectors are rather inconvenient to use, but are the only practical
385   way in which a caller can decide at runtime which arguments to include in a
386   call, which is useful when writing wrapper functions.
387 \end{enumerate}
388
389 Keyword arguments are provided as a general feature for C functions.
390 However, Sod has special support for messages which accept keyword arguments
391 (\xref{sec:concepts.methods.keywords}).
392
393 %%%--------------------------------------------------------------------------
394 \section{Messages and methods} \label{sec:concepts.methods}
395
396 Objects can be sent \emph{messages}.  A message has a \emph{name}, and
397 carries a number of \emph{arguments}.  When an object is sent a message, a
398 function, determined by the receiving object's class, is invoked, passing it
399 the receiver and the message arguments.  This function is called the
400 class's \emph{effective method} for the message.  The effective method can do
401 anything a C function can do, including reading or updating program state or
402 object slots, sending more messages, calling other functions, issuing system
403 calls, or performing I/O; if it finishes, it may return a value, which is
404 returned in turn to the message sender.
405
406 The set of messages an object can receive, characterized by their names,
407 argument types, and return type, is determined by the object's class.  Each
408 class can define new messages, which can be received by any instance of that
409 class.  The messages defined by a single class must have distinct names:
410 there is no `function overloading'.  As with slots
411 (\xref{sec:concepts.classes.slots}), messages defined by distinct classes are
412 always distinct, even if they have the same names: references to messages are
413 always qualified by the defining class's name or nickname.
414
415 Messages may take any number of arguments, of any non-array value type.
416 Since message sends are effectively function calls, arguments of array type
417 are implicitly converted to values of the corresponding pointer type.  While
418 message definitions may ascribe an array type to an argument, the formal
419 argument will have pointer type, as is usual for C functions.  A message may
420 accept a variable-length argument suffix, denoted @|\dots|.
421
422 A class definition may include \emph{direct methods} for messages defined by
423 it or any of its superclasses.
424
425 Like messages, direct methods define argument lists and return types, but
426 they may also have a \emph{body}, and a \emph{role}.
427
428 A direct method need not have the same argument list or return type as its
429 message.  The acceptable argument lists and return types for a method depend
430 on the message, in particular its method combination
431 (\xref{sec:concepts.methods.combination}), and the method's role.
432
433 A direct method body is a block of C code, and the Sod translator usually
434 defines, for each direct method, a function with external linkage, whose body
435 contains a copy of the direct method body.  Within the body of a direct
436 method defined for a class $C$, the variable @|me|, of type pointer to class
437 type of $C$, refers to the receiving object.
438
439
440 \subsection{Effective methods and method combinations}
441 \label{sec:concepts.methods.combination}
442
443 For each message a direct instance of a class might receive, there is a set
444 of \emph{applicable methods}, which are exactly the direct methods defined on
445 the object's class and its superclasses.  These direct methods are combined
446 together to form the \emph{effective method} for that particular class and
447 message.  Direct methods can be combined into an effective method in
448 different ways, according to the \emph{method combination} specified by the
449 message.  The method combination determines which direct method roles are
450 acceptable, and, for each role, the appropriate argument lists and return
451 types.
452
453 One direct method, $M$, is said to be more (resp.\ less) \emph{specific} than
454 another, $N$, with respect to a receiving class~$C$, if the class defining
455 $M$ is a more (resp.\ less) specific superclass of~$C$ than the class
456 defining $N$.
457
458 \subsubsection{The standard method combination}
459 The default method combination is called the \emph{standard method
460 combination}; other method combinations are useful occasionally for special
461 effects.  The standard method combination accepts four direct method roles,
462 called `primary' (the default), @|before|, @|after|, and @|around|.
463
464 All direct methods subject to the standard method combination must have
465 argument lists which \emph{match} the message's argument list:
466 \begin{itemize}
467 \item the method's arguments must have the same types as the message, though
468   the arguments may have different names; and
469 \item if the message accepts a variable-length argument suffix then the
470   direct method must instead have a final argument of type @|va_list|.
471 \end{itemize}
472 Primary and @|around| methods must have the same return type as the message;
473 @|before| and @|after| methods must return @|void| regardless of the
474 message's return type.
475
476 If there are no applicable primary methods then no effective method is
477 constructed: the vtables contain null pointers in place of pointers to method
478 entry functions.
479
480 The effective method for a message with standard method combination works as
481 follows.
482 \begin{enumerate}
483
484 \item If any applicable methods have the @|around| role, then the most
485   specific such method, with respect to the class of the receiving object, is
486   invoked.
487
488   Within the body of an @|around| method, the variable @|next_method| is
489   defined, having pointer-to-function type.  The method may call this
490   function, as described below, any number of times.
491
492   If there any remaining @|around| methods, then @|next_method| invokes the
493   next most specific such method, returning whichever value that method
494   returns; otherwise the behaviour of @|next_method| is to invoke the before
495   methods (if any), followed by the most specific primary method, followed by
496   the @|around| methods (if any), and to return whichever value was returned
497   by the most specific primary method, as described in the following items.
498   That is, the behaviour of the least specific @|around| method's
499   @|next_method| function is exactly the behaviour that the effective method
500   would have if there were no @|around| methods.  Note that if the
501   least-specific @|around| method calls its @|next_method| more than once
502   then the whole sequence of @|before|, primary, and @|after| methods occurs
503   multiple times.
504
505   The value returned by the most specific @|around| method is the value
506   returned by the effective method.
507
508 \item If any applicable methods have the @|before| role, then they are all
509   invoked, starting with the most specific.
510
511 \item The most specific applicable primary method is invoked.
512
513   Within the body of a primary method, the variable @|next_method| is
514   defined, having pointer-to-function type.  If there are no remaining less
515   specific primary methods, then @|next_method| is a null pointer.
516   Otherwise, the method may call the @|next_method| function any number of
517   times.
518
519   The behaviour of the @|next_method| function, if it is not null, is to
520   invoke the next most specific applicable primary method, and to return
521   whichever value that method returns.
522
523   If there are no applicable @|around| methods, then the value returned by
524   the most specific primary method is the value returned by the effective
525   method; otherwise the value returned by the most specific primary method is
526   returned to the least specific @|around| method, which called it via its
527   own @|next_method| function.
528
529 \item If any applicable methods have the @|after| role, then they are all
530   invoked, starting with the \emph{least} specific.  (Hence, the most
531   specific @|after| method is invoked with the most `afterness'.)
532
533 \end{enumerate}
534
535 A typical use for @|around| methods is to allow a base class to set up the
536 dynamic environment appropriately for the primary methods of its subclasses,
537 e.g., by claiming a lock, and restore it afterwards.
538
539 The @|next_method| function provided to methods with the primary and
540 @|around| roles accepts the same arguments, and returns the same type, as the
541 message, except that one or two additional arguments are inserted at the
542 front of the argument list.  The first additional argument is always the
543 receiving object, @|me|.  If the message accepts a variable argument suffix,
544 then the second addition argument is a @|va_list|; otherwise there is no
545 second additional argument; otherwise, In the former case, a variable
546 @|sod__master_ap| of type @|va_list| is defined, containing a separate copy
547 of the argument pointer (so the method body can process the variable argument
548 suffix itself, and still pass a fresh copy on to the next method).
549
550 A method with the primary or @|around| role may use the convenience macro
551 @|CALL_NEXT_METHOD|, which takes no arguments itself, and simply calls
552 @|next_method| with appropriate arguments: the receiver @|me| pointer, the
553 argument pointer @|sod__master_ap| (if applicable), and the method's
554 arguments.  If the method body has overwritten its formal arguments, then
555 @|CALL_NEXT_METHOD| will pass along the updated values, rather than the
556 original ones.
557
558 A primary or @|around| method which invokes its @|next_method| function is
559 said to \emph{extend} the message behaviour; a method which does not invoke
560 its @|next_method| is said to \emph{override} the behaviour.  Note that a
561 method may make a decision to override or extend at runtime.
562
563 \subsubsection{Aggregating method combinations}
564 A number of other method combinations are provided.  They are called
565 `aggregating' method combinations because, instead of invoking just the most
566 specific primary method, as the standard method combination does, they invoke
567 the applicable primary methods in turn and aggregate the return values from
568 each.
569
570 The aggregating method combinations accept the same four roles as the
571 standard method combination, and @|around|, @|before|, and @|after| methods
572 work in the same way.
573
574 The aggregating method combinations provided are as follows.
575 \begin{description} \let\makelabel\code
576 \item[progn] The message must return @|void|.  The applicable primary methods
577   are simply invoked in turn, most specific first.
578 \item[sum] The message must return a numeric type.\footnote{%
579     The Sod translator does not check this, since it doesn't have enough
580     insight into @|typedef| names.} %
581   The applicable primary methods are invoked in turn, and their return values
582   added up.  The final result is the sum of the individual values.
583 \item[product] The message must return a numeric type.  The applicable
584   primary methods are invoked in turn, and their return values multiplied
585   together.  The final result is the product of the individual values.
586 \item[min] The message must return a scalar type.  The applicable primary
587   methods are invoked in turn.  The final result is the smallest of the
588   individual values.
589 \item[max] The message must return a scalar type.  The applicable primary
590   methods are invoked in turn.  The final result is the largest of the
591   individual values.
592 \item[and] The message must return a scalar type.  The applicable primary
593   methods are invoked in turn.  If any method returns zero then the final
594   result is zero and no further methods are invoked.  If all of the
595   applicable primary methods return nonzero, then the final result is the
596   result of the last primary method.
597 \item[or] The message must return a scalar type.  The applicable primary
598   methods are invoked in turn.  If any method returns nonzero then the final
599   result is that nonzero value and no further methods are invoked.  If all of
600   the applicable primary methods return zero, then the final result is zero.
601 \end{description}
602
603 There is also a @|custom| aggregating method combination, which is described
604 in \xref{sec:fixme.custom-aggregating-method-combination}.
605
606
607 \subsection{Messages with keyword arguments}
608 \label{sec:concepts.methods.keywords}
609
610 A message or a direct method may declare that it accepts keyword arguments.
611 A message which accepts keyword arguments is called a \emph{keyword message};
612 a direct method which accepts keyword arguments is called a \emph{keyword
613 method}.
614
615 While method combinations may set their own rules, usually keyword methods
616 can only be defined on keyword messages, and all methods defined on a keyword
617 message must be keyword methods.  The direct methods defined on a keyword
618 message may differ in the keywords they accept, both from each other, and
619 from the message.  If two superclasses of some common class both define
620 keyword methods on the same message, and the methods both accept a keyword
621 argument with the same name, then these two keyword arguments must also have
622 the same type.  Different applicable methods may declare keyword arguments
623 with the same name but different defaults; see below.
624
625 The keyword arguments acceptable in a message sent to an object are the
626 keywords listed in the message definition, together with all of the keywords
627 accepted by any applicable method.  There is no easy way to determine at
628 runtime whether a particular keyword is acceptable in a message to a given
629 instance.
630
631 At runtime, a direct method which accepts one or more keyword arguments
632 receives an additional argument named @|suppliedp|.  This argument is a small
633 structure.  For each keyword argument named $k$ accepted by the direct
634 method, @|suppliedp| contains a one-bit-wide bitfield member of type
635 @|unsigned|, also named $k$.  If a keyword argument named $k$ was passed in
636 the message, then @|suppliedp.$k$| is one, and $k$ contains the argument
637 value; otherwise @|suppliedp.$k$| is zero, and $k$ contains the default value
638 from the direct method definition if there was one, or an unspecified value
639 otherwise.
640
641 %%%--------------------------------------------------------------------------
642 \section{The object lifecycle} \label{sec:concepts.lifecycle}
643
644 \subsection{Creation} \label{sec:concepts.lifecycle.birth}
645
646 Construction of a new instance of a class involves three steps.
647 \begin{enumerate}
648 \item \emph{Allocation} arranges for there to be storage space for the
649   instance's slots and associated metadata.
650 \item \emph{Imprinting} fills in the instance's metadata, associating the
651   instance with its class.
652 \item \emph{Initialization} stores appropriate initial values in the
653   instance's slots, and maybe links it into any external data structures as
654   necessary.
655 \end{enumerate}
656 The \descref{SOD_DECL}[macro]{mac} handles constructing instances with
657 automatic storage duration (`on the stack').  Currently, there is no built-in
658 support for constructing dynamically-allocated instances.
659
660 \subsubsection{Allocation}
661 Instances of most classes (specifically including those classes defined by
662 Sod itself) can be held in any storage of sufficient size.  The in-memory
663 layout of an instance of some class~$C$ is described by the type @|struct
664 $C$__ilayout|, and if the relevant class is known at compile time then the
665 best way to discover the layout size is with the @|sizeof| operator.  Failing
666 that, the size required to hold an instance of $C$ is available in a slot in
667 $C$'s class object, as @|$C$__class@->cls.initsz|.
668
669 It is not in general sufficient to declare, or otherwise allocate, an object
670 of the class type $C$.  The class type only describes a single chain of the
671 object's layout.  It is nearly always an error to use the class type as if it
672 is a \emph{complete type}, e.g., to declare objects or arrays of the class
673 type, or to enquire about its size or alignment requirements.
674
675 Instance layouts may be declared as objects with automatic storage duration
676 (colloquially, `allocated on the stack') or allocated dynamically, e.g.,
677 using @|malloc|.  They may be included as members of structures or unions, or
678 elements of arrays.  Sod's runtime system doesn't retain addresses of
679 instances, so, for example, Sod doesn't make using fancy allocators which
680 sometimes move objects around in memory any more difficult than it needs to
681 be.
682
683 There isn't any way to discover the alignment required for a particular
684 class's instances at runtime; it's best to be conservative and assume that
685 the platform's strictest alignment requirement applies.
686
687 The following simple function correctly allocates and returns space for an
688 instance of a class given a pointer to its class object @<cls>.
689 \begin{prog}
690   void *allocate_instance(const SodClass *cls) \\ \ind
691     \{ return malloc(cls@->cls.initsz); \}
692 \end{prog}
693
694 \subsubsection{Imprinting}
695 Once storage has been allocated, it must be \emph{imprinted} before it can be
696 used as an instance of a class, e.g., before any messages can be sent to it.
697
698 Imprinting an instance stores some metadata about its direct class in the
699 instance structure, so that the rest of the program (and Sod's runtime
700 library) can tell what sort of object it is, and how to use it.\footnote{%
701   Specifically, imprinting an instance's storage involves storing the
702   appropriate vtable pointers in the right places in it.} %
703 A class object's @|imprint| slot points to a function which will correctly
704 imprint storage for one of that class's instances.
705
706 Once an instance's storage has been imprinted, it is technically possible to
707 send messages to the instance; however the instance's slots are still
708 uninitialized at this point, the applicable methods are unlikely to do much
709 of any use unless they've been written specifically for the purpose.
710
711 The following simple function imprints storage at address @<p> as an instance
712 of a class, given a pointer to its class object @<cls>.
713 \begin{prog}
714   void imprint_instance(const SodClass *cls, void *p) \\ \ind
715     \{ cls@->cls.imprint(p); \}
716 \end{prog}
717
718 \subsubsection{Initialization}
719 The final step for constructing a new instance is to \emph{initialize} it, to
720 establish the necessary invariants for the instance itself and the
721 environment in which it operates.
722
723 Details of initialization are necessarily class-specific, but typically it
724 involves setting the instance's slots to appropriate values, and possibly
725 linking it into some larger data structure to keep track of it.
726
727 Classes can declare initial values for their slots.  A class object's @|init|
728 slot points to a function which will establish the appropriate initial values
729 for a new instance's slots.  Slots are not initialized in any particularly
730 useful order.  The @|init| function also imprints the instance storage.
731
732 The provided initialization protocol is extremely simplistic; most notably,
733 it's not possible to pass parameters into the initialization process.
734 Classes which have more complex requirements will need to define and
735 implement their own additional (or alternative) protocols.
736
737 \subsubsection{Example}
738 The following is a simple function, with syntactic-sugar macro, which
739 allocate storage for an instance of a class, imprints and initializes it, and
740 returns a pointer to the new instance.
741 \begin{prog}
742   void *make_instance(const SodClass *c) \\
743   \{ \\ \ind
744     void *p = malloc(c@->cls.initsz); \\
745     if (!p) return (0); \\
746     c@->cls.init(p); \\
747     return (p); \- \\
748   \}
749   \\+
750   \#define MAKE(cls) (cls *)make_instance(cls\#\#__class)
751 \end{prog}
752
753
754 \subsection{Destruction}
755 \label{sec:concepts.lifecycle.death}
756
757 Destruction of an instance, when it is no longer required, consists of two
758 steps.
759 \begin{enumerate}
760 \item \emph{Teardown} releases any resources held by the instance and
761   disentangles it from any external data structures.
762 \item \emph{Deallocation} releases the memory used to store the instance so
763   that it can be reused.
764 \end{enumerate}
765
766 \subsubsection{Teardown}
767 Details of teardown are class-specific, but typically it involves releasing
768 resources held by the instance, and possibly unlinking it from some larger
769 data structure which used to keep track of it.
770
771 There is no provided protocol for teardown: classes whose instances require
772 teardown behaviour must define and implement an appropriate protocol of their
773 own.  The following class may serve for simple cases.
774 \begin{prog}
775   [nick = disposable] \\
776   class DisposableObject : SodObject \{ \\- \ind
777     void release() \{ ; \} \\
778     \quad /* Release resources held by the receiver. */ \- \\-
779   \}
780   \\+
781   code c : user \{ \\- \ind
782     /* If p is a a DisposableObject then release its resources. */ \\
783     void maybe_dispose(void *p) \\
784     \{ \\ \ind
785       DisposableObject *d = SOD_CONVERT(DisposableObject, p); \\
786       if (d) DisposableObject_release(d); \- \\
787     \} \- \\
788   \}
789 \end{prog}
790
791 \subsubsection{Deallocation}
792 The details of instance deallocation are obviously specific to the allocation
793 strategy used by the instance, and this is often orthogonal from the object's
794 class.
795
796 The code which makes the decision to destroy an object may often not be aware
797 of the object's direct class.  Low-level details of deallocation often
798 require the proper base address of the instance's storage, which can be
799 determined using the \descref{SOD_INSTBASE}[macro]{mac}.
800
801 \subsubsection{Example}
802 The following is a counterpart to the @|new_instance| function
803 (\xref{sec:concepts.lifecycle.birth}), which tears down and deallocates an
804 instance allocated using @|malloc|.
805 \begin{prog}
806   void free_instance(void *p) \\
807   \{ \\ \ind
808     SodObject *obj = p; \\
809     maybe_dispose(p); \\
810     free(SOD_INSTBASE(obj)); \- \\
811   \}
812 \end{prog}
813
814 %%%--------------------------------------------------------------------------
815 \section{Metaclasses} \label{sec:concepts.metaclasses}
816
817 %%%----- That's all, folks --------------------------------------------------
818
819 %%% Local variables:
820 %%% mode: LaTeX
821 %%% TeX-master: "sod.tex"
822 %%% TeX-PDF-mode: t
823 %%% End: