chiark / gitweb /
lib/: Pure C machinery for handling `keyword arguments' to functions.
[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 exactly one of $C$'s direct superclasses, 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 both $Z$ is
212 the 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.classes.c}, and \xref{sec:structures.root.sodclass}) which
250 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 not be initialized.
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{Instance allocation, imprinting, and initialization}
311 It is in general not sufficient to declare (or @|malloc|) an object of the
312 appropriate class type and fill it in, since the class type only describes an
313 instance's layout from the point of view of a single superclass chain.  The
314 correct type to allocate, to store a direct instance of some class is a
315 structure whose tag is the class name suffixed with `@|__ilayout|'; e.g., the
316 correct layout structure for a direct instance of @|MyClass| would be
317 @|struct MyClass__ilayout|.
318
319 Instance layouts may be declared as objects with automatic storage duration
320 (colloquially, `allocated on the stack') or allocated dynamically, e.g.,
321 using @|malloc|.  Sod's runtime system doesn't retain addresses of instances,
322 so, for example, Sod doesn't make using a fancy allocator which sometimes
323 moves objects around in memory any more difficult than it needs to be.
324
325 Once storage for an instance has been allocated, it must be \emph{imprinted}
326 before it can be used.  Imprinting an instance stores some metadata about its
327 direct class in the instance structure, so that the rest of the program (and
328 Sod's runtime library) can tell what sort of object it is, and how to use
329 it.\footnote{%
330   Specifically, imprinting an instance's storage involves storing the
331   appropriate vtable pointers in the right places in it.} %
332 A class object's @|imprint| slot points to a function which will correctly
333 imprint storage for one of that class's instances.
334
335 Once an instance's storage has been imprinted, it is possible to send the
336 instance messages; however, the instance's slots are uninitialized at this
337 point, so most methods are unlikely to do much of any use.  So, usually, you
338 don't just want to imprint instance storage, but to \emph{initialize} an
339 instance.  Initialization includes imprinting, but also sets the new
340 instance's slots to their initial values, as defined by the class.  If
341 neither the class nor any of its superclasses defines an initializer for a
342 slot then it will not be initialized.
343
344 There is currently no facility for providing parameters to the instance
345 initialization process (e.g., for use by slot initializer expressions).
346 Instance initialization is a complicated matter and for now I want to
347 experiment with various approaches before committing to one.  My current
348 interim approach is to specify slot initializers where appropriate and send
349 class-specific messages for more complicated parametrized initialization.
350
351 Automatic-duration instances can be conveniently constructed and initialized
352 using the \descref{SOD_DECL}[macro]{mac}.  No special support is currently
353 provided for dynamically allocated instances.  A simple function using
354 @|malloc| might work as follows.
355 \begin{prog}
356   void *new_instance(const SodClass *c) \\
357   \{ \\ \ind
358     void *p = malloc(c@->cls.initsz); \\
359     if (!p) return (0); \\
360     c@->cls.init(p); \\
361     return (p); \- \\
362   \}
363 \end{prog}
364
365 \subsubsection{Instance finalization and deallocation}
366 There is currently no provided assistance for finalization or deallocation.
367 It is the programmer's responsibility to decide and implement an appropriate
368 protocol.  Note that to free an instance allocated from the heap, one must
369 correctly find its base address: the \descref{SOD_INSTBASE}[macro]{mac} will
370 do this for you.
371
372 The following simple mixin class is suggested.
373 \begin{prog}
374   [nick = disposable] \\
375   class DisposableObject : SodObject \{ \\- \ind
376     void release() \{ ; \} \\
377     \quad /* Release resources held by the receiver. */ \- \\-
378   \}
379   \\+
380   code c : user \{ \\- \ind
381     /\=\+* Free object p's instance storage.  If p is a DisposableObject \\
382        {}* then release its resources beforehand. \\
383        {}*/ \- \\
384     void free_instance(void *p) \\
385     \{ \\ \ind
386       DisposableObject *d = SOD_CONVERT(DisposableObject, p); \\
387       if (d) DisposableObject_release(d); \\
388       free(d); \- \\
389     \} \- \\
390   \}
391 \end{prog}
392
393 \subsubsection{Conversions}
394 Suppose one has a value of type pointer to class type of some class~$C$, and
395 wants to convert it to a pointer to class type of some other class~$B$.
396 There are three main cases to distinguish.
397 \begin{itemize}
398 \item If $B$ is a superclass of~$C$, in the same chain, then the conversion
399   is an \emph{in-chain upcast}.  The conversion can be performed using the
400   appropriate generated upcast macro (see below), or by simply casting the
401   pointer, using C's usual cast operator (or the \Cplusplus\ @|static_cast<>|
402   operator).
403 \item If $B$ is a superclass of~$C$, in a different chain, then the
404   conversion is a \emph{cross-chain upcast}.  The conversion is more than a
405   simple type change: the pointer value must be adjusted.  If the direct
406   class of the instance in question is not known, the conversion will require
407   a lookup at runtime to find the appropriate offset by which to adjust the
408   pointer.  The conversion can be performed using the appropriate generated
409   upcast macro (see below); the general case is handled by the macro
410   \descref{SOD_XCHAIN}{mac}.
411 \item If $B$ is a subclass of~$C$ then the conversion is an \emph{upcast};
412   otherwise the conversion is a~\emph{cross-cast}.  In either case, the
413   conversion can fail: the object in question might not be an instance of~$B$
414   at all.  The macro \descref{SOD_CONVERT}{mac} and the function
415   \descref{sod_convert}{fun} perform general conversions.  They return a null
416   pointer if the conversion fails.
417 \end{itemize}
418 The Sod translator generates macros for performing both in-chain and
419 cross-chain upcasts.  For each class~$C$, and each proper superclass~$B$
420 of~$C$, a macro is defined: given an argument of type pointer to class type
421 of~$C$, it returns a pointer to the same instance, only with type pointer to
422 class type of~$B$, adjusted as necessary in the case of a cross-chain
423 conversion.  The macro is named by concatenating
424 \begin{itemize}
425 \item the name of class~$C$, in upper case,
426 \item the characters `@|__CONV_|', and
427 \item the nickname of class~$B$, in upper case;
428 \end{itemize}
429 e.g., if $C$ is named @|MyClass|, and $B$'s name is @|SuperClass| with
430 nickname @|super|, then the macro @|MYCLASS__CONV_SUPER| converts a
431 @|MyClass~*| to a @|SuperClass~*|.  See
432 \xref{sec:structures.layout.additional} for the formal description.
433
434 %%%--------------------------------------------------------------------------
435 \section{Keyword arguments} \label{sec:concepts.keywords}
436
437 In standard C, the actual arguments provided to a function are matched up
438 with the formal arguments given in the function definition according to their
439 ordering in a list.  Unless the (rather cumbersome) machinery for dealing
440 with variable-length argument tails (@|<stdarg.h>|) is used, exactly the
441 correct number of arguments must be supplied, and in the correct order.
442
443 A \emph{keyword argument} is matched by its distinctive \emph{name}, rather
444 than by its position in a list.  Keyword arguments may be \emph{omitted},
445 causing some default behaviour by the function.  A function can detect
446 whether a particular keyword argument was supplied: so the default behaviour
447 need not be the same as that caused by any specific value of the argument.
448
449 Keyword arguments can be provided in three ways.
450 \begin{enumerate}
451 \item Directly, as a variable-length argument tail, consisting (for the most
452   part) of alternating keyword names, as pointers to null-terminated strings,
453   and argument values, and terminated by a null pointer.  This is somewhat
454   error-prone, and the support library defines some macros which help ensure
455   that keyword argument lists are well formed.
456 \item Indirectly, through a @|va_list| object capturing a variable-length
457   argument tail passed to some other function.  Such indirect argument tails
458   have the same structure as the direct argument tails described above.
459   Because @|va_list| objects are hard to copy, the keyword-argument support
460   library consistently passes @|va_list| objects \emph{by reference}
461   throughout its programming interface.
462 \item Indirectly, through a vector of @|struct kwval| objects, each of which
463   contains a keyword name, as a pointer to a null-terminated string, and the
464   \emph{address} of a corresponding argument value.  (This indirection is
465   necessary so that the items in the vector can be of uniform size.)
466   Argument vectors are rather inconvenient to use, but are the only practical
467   way in which a caller can decide at runtime which arguments to include in a
468   call, which is useful when writing wrapper functions.
469 \end{enumerate}
470
471 Keyword arguments are provided as a general feature for C functions.
472
473 %%%--------------------------------------------------------------------------
474 \section{Messages and methods} \label{sec:concepts.methods}
475
476 Objects can be sent \emph{messages}.  A message has a \emph{name}, and
477 carries a number of \emph{arguments}.  When an object is sent a message, a
478 function, determined by the receiving object's class, is invoked, passing it
479 the receiver and the message arguments.  This function is called the
480 class's \emph{effective method} for the message.  The effective method can do
481 anything a C function can do, including reading or updating program state or
482 object slots, sending more messages, calling other functions, issuing system
483 calls, or performing I/O; if it finishes, it may return a value, which is
484 returned in turn to the message sender.
485
486 The set of messages an object can receive, characterized by their names,
487 argument types, and return type, is determined by the object's class.  Each
488 class can define new messages, which can be received by any instance of that
489 class.  The messages defined by a single class must have distinct names:
490 there is no `function overloading'.  As with slots
491 (\xref{sec:concepts.classes.slots}), messages defined by distinct classes are
492 always distinct, even if they have the same names: references to messages are
493 always qualified by the defining class's name or nickname.
494
495 Messages may take any number of arguments, of any non-array value type.
496 Since message sends are effectively function calls, arguments of array type
497 are implicitly converted to values of the corresponding pointer type.  While
498 message definitions may ascribe an array type to an argument, the formal
499 argument will have pointer type, as is usual for C functions.  A message may
500 accept a variable-length argument suffix, denoted @|\dots|.
501
502 A class definition may include \emph{direct methods} for messages defined by
503 it or any of its superclasses.
504
505 Like messages, direct methods define argument lists and return types, but
506 they may also have a \emph{body}, and a \emph{role}.
507
508 A direct method need not have the same argument list or return type as its
509 message.  The acceptable argument lists and return types for a method depend
510 on the message, in particular its method combination
511 (\xref{sec:concepts.methods.combination}), and the method's role.
512
513 A direct method body is a block of C code, and the Sod translator usually
514 defines, for each direct method, a function with external linkage, whose body
515 contains a copy of the direct method body.  Within the body of a direct
516 method defined for a class $C$, the variable @|me|, of type pointer to class
517 type of $C$, refers to the receiving object.
518
519
520 \subsection{Effective methods and method combinations}
521 \label{sec:concepts.methods.combination}
522
523 For each message a direct instance of a class might receive, there is a set
524 of \emph{applicable methods}, which are exactly the direct methods defined on
525 the object's class and its superclasses.  These direct methods are combined
526 together to form the \emph{effective method} for that particular class and
527 message.  Direct methods can be combined into an effective method in
528 different ways, according to the \emph{method combination} specified by the
529 message.  The method combination determines which direct method roles are
530 acceptable, and, for each role, the appropriate argument lists and return
531 types.
532
533 One direct method, $M$, is said to be more (resp.\ less) \emph{specific} than
534 another, $N$, with respect to a receiving class~$C$, if the class defining
535 $M$ is a more (resp.\ less) specific superclass of~$C$ than the class
536 defining $N$.
537
538 \subsection{The standard method combination}
539 \label{sec:concepts.methods.standard}
540
541 The default method combination is called the \emph{standard method
542 combination}; other method combinations are useful occasionally for special
543 effects.  The standard method combination accepts four direct method roles,
544 called @|primary| (the default), @|before|, @|after|, and @|around|.
545
546 All direct methods subject to the standard method combination must have
547 argument lists which \emph{match} the message's argument list:
548 \begin{itemize}
549 \item the method's arguments must have the same types as the message, though
550   the arguments may have different names; and
551 \item if the message accepts a variable-length argument suffix then the
552   direct method must instead have a final argument of type @|va_list|.
553 \end{itemize}
554 Primary and @|around| methods must have the same return type as the message;
555 @|before| and @|after| methods must return @|void| regardless of the
556 message's return type.
557
558 If there are no applicable primary methods then no effective method is
559 constructed: the vtables contain null pointers in place of pointers to method
560 entry functions.
561
562 The effective method for a message with standard method combination works as
563 follows.
564 \begin{enumerate}
565
566 \item If any applicable methods have the @|around| role, then the most
567   specific such method, with respect to the class of the receiving object, is
568   invoked.
569
570   Within the body of an @|around| method, the variable @|next_method| is
571   defined, having pointer-to-function type.  The method may call this
572   function, as described below, any number of times.
573
574   If there any remaining @|around| methods, then @|next_method| invokes the
575   next most specific such method, returning whichever value that method
576   returns; otherwise the behaviour of @|next_method| is to invoke the before
577   methods (if any), followed by the most specific primary method, followed by
578   the @|around| methods (if any), and to return whichever value was returned
579   by the most specific primary method.  That is, the behaviour of the least
580   specific @|around| method's @|next_method| function is exactly the
581   behaviour that the effective method would have if there were no @|around|
582   methods.
583
584   The value returned by the most specific @|around| method is the value
585   returned by the effective method.
586
587 \item If any applicable methods have the @|before| role, then they are all
588   invoked, starting with the most specific.
589
590 \item The most specific applicable primary method is invoked.
591
592   Within the body of a primary method, the variable @|next_method| is
593   defined, having pointer-to-function type.  If there are no remaining less
594   specific primary methods, then @|next_method| is a null pointer.
595   Otherwise, the method may call the @|next_method| function any number of
596   times.
597
598   The behaviour of the @|next_method| function, if it is not null, is to
599   invoke the next most specific applicable primary method, and to return
600   whichever value that method returns.
601
602   If there are no applicable @|around| methods, then the value returned by
603   the most specific primary method is the value returned by the effective
604   method; otherwise the value returned by the most specific primary method is
605   returned to the least specific @|around| method, which called it via its
606   own @|next_method| function.
607
608 \item If any applicable methods have the @|after| role, then they are all
609   invoked, starting with the \emph{least} specific.  (Hence, the most
610   specific @|after| method is invoked with the most `afterness'.)
611
612 \end{enumerate}
613
614 A typical use for @|around| methods is to allow a base class to set up the
615 dynamic environment appropriately for the primary methods of its subclasses,
616 e.g., by claiming a lock, and restore it afterwards.
617
618 The @|next_method| function provided to methods with the @|primary| and
619 @|around| roles accepts the same arguments, and returns the same type, as the
620 message, except that one or two additional arguments are inserted at the
621 front of the argument list.  The first additional argument is always the
622 receiving object, @|me|.  If the message accepts a variable argument suffix,
623 then the second addition argument is a @|va_list|; otherwise there is no
624 second additional argument; otherwise, In the former case, a variable
625 @|sod__master_ap| of type @|va_list| is defined, containing a separate copy
626 of the argument pointer (so the method body can process the variable argument
627 suffix itself, and still pass a fresh copy on to the next method).
628
629 A method with the @|primary| or @|around| role may use the convenience macro
630 @|CALL_NEXT_METHOD|, which takes no arguments itself, and simply calls
631 @|next_method| with appropriate arguments: the receiver @|me| pointer, the
632 argument pointer @|sod__master_ap| (if applicable), and the method's
633 arguments.  If the method body has overwritten its formal arguments, then
634 @|CALL_NEXT_METHOD| will pass along the updated values, rather than the
635 original ones.
636
637 \subsection{Aggregating method combinations}
638 \label{sec:concepts.methods.aggregating}
639
640 A number of other method combinations are provided.  They are called
641 `aggregating' method combinations because, instead of invoking just the most
642 specific primary method, as the standard method combination does, they invoke
643 the applicable primary methods in turn and aggregate the return values from
644 each.
645
646 The aggregating method combinations accept the same four roles as the
647 standard method combination, and @|around|, @|before|, and @|after| methods
648 work in the same way.
649
650 The aggregating method combinations provided are as follows.
651 \begin{description} \let\makelabel\code
652 \item[progn] The message must return @|void|.  The applicable primary methods
653   are simply invoked in turn, most specific first.
654 \item[sum] The message must return a numeric type.\footnote{%
655     The Sod translator does not check this, since it doesn't have enough
656     insight into @|typedef| names.} %
657   The applicable primary methods are invoked in turn, and their return values
658   added up.  The final result is the sum of the individual values.
659 \item[product] The message must return a numeric type.  The applicable
660   primary methods are invoked in turn, and their return values multiplied
661   together.  The final result is the product of the individual values.
662 \item[min] The message must return a scalar type.  The applicable primary
663   methods are invoked in turn.  The final result is the smallest of the
664   individual values.
665 \item[max] The message must return a scalar type.  The applicable primary
666   methods are invoked in turn.  The final result is the largest of the
667   individual values.
668 \item[and] The message must return a scalar type.  The applicable primary
669   methods are invoked in turn.  If any method returns zero then the final
670   result is zero and no further methods are invoked.  If all of the
671   applicable primary methods return nonzero, then the final result is the
672   result of the last primary method.
673 \item[or] The message must return a scalar type.  The applicable primary
674   methods are invoked in turn.  If any method returns nonzero then the final
675   result is that nonzero value and no further methods are invoked.  If all of
676   the applicable primary methods return zero, then the final result is zero.
677 \end{description}
678
679 There is also a @|custom| aggregating method combination, which is described
680 in \xref{sec:fixme.custom-aggregating-method-combination}.
681
682 %%%--------------------------------------------------------------------------
683 \section{Metaclasses} \label{sec:concepts.metaclasses}
684
685 %%%----- That's all, folks --------------------------------------------------
686
687 %%% Local variables:
688 %%% mode: LaTeX
689 %%% TeX-master: "sod.tex"
690 %%% TeX-PDF-mode: t
691 %%% End: