chiark / gitweb /
doc/structures.tex: Fix fake property lists for the builtin classes.
[sod] / doc / structures.tex
1 %%% -*-latex-*-
2 %%%
3 %%% In-depth exploration of the generated structures
4 %%%
5 %%% (c) 2015 Straylight/Edgeware
6 %%%
7
8 %%%----- Licensing notice ---------------------------------------------------
9 %%%
10 %%% This file is part of the Simple Object Definition system.
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{Object structures} \label{ch:structures}
27
28 This chapter describes the structure and layout of standard Sod objects,
29 classes and associated metadata.  Note that Sod's object system is very
30 flexible and it's possible for an extension to define a new root class which
31 works very differently from the standard @|SodObject| described here.
32
33 The concrete types described in \xref{sec:structures.common} and
34 \ref{sec:structures.root} are declared by the header file @|<sod/sod.h>|.
35 The definitions described in sections \ref{sec:structures.layout} are defined
36 in the header file generated by the containing module.
37
38 %%%--------------------------------------------------------------------------
39 \section{Common instance structure} \label{sec:structures.common}
40
41 As described below, a pointer to an instance actually points to an
42 \emph{instance chain} structure within the instances overall layout
43 structure.
44
45 Instance chains contain slots and vtable pointers, as described below.  All
46 instances have the basic structure of a @|struct sod_instance|.
47
48 \begin{describe}[struct sod_instance]{type}
49     {struct sod_instance \{ \\ \ind
50        const struct sod_vtable *_vt; \- \\
51      \};}
52
53   The basic structure of all instances.  Members are as follows.
54   \begin{description} \let\makelabel\code
55   \item[_vt] A pointer to a \emph{vtable}, which has the basic structure of a
56     @|struct sod_vtable|, described below.
57   \end{description}
58 \end{describe}
59
60 \begin{describe}[struct sod_vtable]{type}
61     {struct sod_vtable \{ \\ \ind
62        const SodClass *_class; \\
63        size_t _base; \- \\
64      \};}
65
66   A vtable contains static metadata needed for efficient conversions and
67   message dispatch, and pointers to the instance's class.  Each chain points
68   to a different vtable.  All vtables have the basic structure of a @|struct
69   sod_vtable|, which has the following members.
70   \begin{description} \let\makelabel\code
71   \item[_class] A pointer to the instance's class object.
72   \item[_base] The offset of this chain structure above the start of the
73     overall instance layout, in bytes.  Subtracting @|_base| from the
74     instance chain pointer finds the layout base address.
75   \end{description}
76 \end{describe}
77
78 %%%--------------------------------------------------------------------------
79 \section{Built-in root objects} \label{sec:structures.root}
80
81 This section describes the built-in classes @|SodObject| and @|SodClass|,
82 which are the standard roots of the inheritance and metaclass graphs
83 respectively.  Specifically, @|SodObject| has no direct superclasses, and
84 @|SodClass| is its own metaclass.  It is not possible to define root classes
85 in module files because of circularities: @|SodObject| has @|SodClass| as its
86 metaclass, and @|SodClass| is a subclass of @|SodObject|.  Extensions can
87 define additional root classes, but this is tricky, and not really to be
88 recommended.
89
90
91 \subsection{The SodObject class} \label{sec:structures.root.sodobject}
92
93 \begin{figure}[tbp]
94   \begin{tabular}{p{10pt}p{10pt}}
95     \begin{prog}
96       struct SodObject__ilayout \{ \\ \ind
97         union \{ \\ \ind
98           struct SodObject__ichain_obj \{ \\ \ind
99             const struct SodObject__vt_obj *_vt; \- \\
100           \} obj; \- \\
101         \} obj; \- \\
102       \};
103     \end{prog}
104     &
105     \begin{prog}
106       struct SodObject__vt_obj \{ \\ \ind
107         const SodClass *_class; \\
108         size_t _base; \- \\
109       \};
110     \end{prog} \\
111   \end{tabular}
112   \caption{Instance and vtable layout of @|SodObject|}
113   \label{fig:structures.root.sodobject}
114 \end{figure}
115
116 \begin{describe}[SodObject]{cls}
117     {[nick = obj, metaclass = SodClass, lisp_metaclass = sod_class] \\
118      class SodObject \{ \}}
119
120   The @|SodObject| class defines no slots or messages.  Because @|SodObject|
121   has no direct superclasses, there is only one chain, and no inherited
122   slots or messages, so the single chain contains only a vtable pointer.
123
124   Since there are no messages, and @|SodClass| also has only one chain, the
125   vtable contains only the standard class pointer and offset-to-base members.
126   In a direct instance of @|SodObject| (why would you want one?)  the class
127   pointer contains the address of @|SodObject__class| and the offset is zero.
128
129   The instance and vtable layout of @|SodObject| is shown in
130   \xref{fig:structures.root.sodobject}.
131 \end{describe}
132
133
134 \subsection{The SodClass class} \label{sec:structures.root.sodclass}
135
136 \begin{describe}[SodClass]{cls}
137     {[nick = cls, link = SodObject] \\
138      class SodClass : SodObject \{ \\ \ind
139        const char *name; \\
140        const char *nick; \\
141        size_t initsz; \\
142        void *(*imprint)(void *@<p>); \\
143        void *(*init)(void *@<p>); \\
144        size_t n_supers; \\
145        const SodClass *const *supers; \\
146        size_t n_cpl; \\
147        const SodClass *const *cpl; \\
148        const SodClass *link; \\
149        const SodClass *head; \\
150        size_t level; \\
151        size_t n_chains; \\
152        const struct sod_chain *chains; \\
153        size_t off_islots; \\
154        size_t islotsz; \- \\
155      \}}
156
157   The @|SodClass| class defines no messages, but there are a number of slots.
158   Its only direct superclass is @|SodObject| and so (like its superclass) its
159   vtable is trivial.
160
161   The slots defined are as follows.
162   \begin{description} \let\makelabel\code
163
164   \item[name] A pointer to the class's name.
165
166   \item[nick] A pointer to the class's nickname.
167
168   \item[initsz] The size in bytes required to store an instance of the class.
169
170   \item[imprint] A pointer to a function: given a pointer @<p> to at least
171     @<initsz> bytes of appropriately aligned memory, `imprint' this memory it
172     so that it becomes a minimally functional instance of the class: all of
173     the vtable and class pointers are properly initialized, but the slots are
174     left untouched.  The function returns its argument @<p>.
175
176   \item[init] A pointer to a function: given a pointer @<p> to at least
177     @<initsz> bytes of appropriately aligned memory, initialize an instance
178     of the class in it: all of the vtable and class pointers are initialized,
179     as are slots for which initializers are defined.  Other slots are left
180     untouched.  The function returns its argument @<p>.
181
182   \item[n_supers] The number of direct superclasses.  (This is zero exactly
183     in the case of @|SodObject|.)
184
185   \item[supers] A pointer to an array of @<n_supers> pointers to class
186     objects listing the class's direct superclasses, in the order in which
187     they were listed in the class definition.  If @<n_supers> is zero, then
188     this pointer is null.
189
190   \item[n_cpl] The number of superclasses in the class's class precedence
191     list.
192
193   \item[cpl] A pointer to an array of pointers to class objects listing all
194     of the class's superclasses, from most- to least-specific, starting with
195     the class itself, so $c@->@|cls|.@|cpl|[0] = c$ for all class objects
196     $c$.
197
198   \item[link] If the class is a chain head, then this is a null pointer;
199     otherwise it points to the class's distinguished link superclass (which
200     might or might not be a direct superclass).
201
202   \item[head] A pointer to the least-specific class in this class's chain; so
203     $c@->@|cls|.@|head|@->@|cls|.@|link|$ is always null, and either
204     $c@->@|cls|.@|link|$ is null (in which case $c@->@|cls|.@|head| = c$) or
205     $c@->@|cls|.@|head| = c@->@|cls|.@|link|@->@|cls|.@|head|$.
206
207   \item[level] The number of less specific superclasses in this class's
208     chain.  If $c@->@|cls|.@|link|$ is null then $c@->@|cls|.@|level|$ is
209     zero; otherwise $c@->@|cls|.@|level| =
210     c@->@|cls|.@|link|@->@|cls|.@|level| + 1$.
211
212   \item[n_chains] The number of chains formed by the class's superclasses.
213
214   \item[chains] A pointer to an array of @|struct sod_chain| structures (see
215     below) describing the class's superclass chains, in decreasing order of
216     specificity of their most specific classes.  It is always the case that
217     $c@->@|cls|.@|chains|[0].@|classes|[c@->@|cls|.@|level|] = c$.
218
219   \item[off_islots] The offset of the class's @|islots| structure relative to
220     its containing @|ichain| structure.  The class doesn't define any slots
221     if and only if this is zero.  (The offset can't be zero because the
222     vtable pointer is at offset zero.)
223
224   \item[islotsz] The size required to store the class's direct slots, i.e.,
225     the size of its @|islots| structure.  The class doesn't define any slots
226     if and only if this is zero.
227
228   \end{description}
229 \end{describe}
230
231 \begin{describe}[struct sod_chain]{type}
232     {struct sod_chain \{ \\ \ind
233        size_t n_classes; \\
234        const SodClass *const *classes; \\
235        size_t off_ichain; \\
236        const struct sod_vtable *vt; \\
237        size_t ichainsz; \- \\
238      \};}
239
240   The @|struct sod_chain| structure describes an individual chain of
241   superclasses.  It has the following members.
242   \begin{description} \let\makelabel\code
243
244   \item[n_classes] The number of classes in the chain.  This is always at
245     least one.
246
247   \item[classes] A pointer to an array of class pointers listing the classes
248     in the chain from least- to most-specific.  So
249     $@<classes>[i]@->@|cls|.@|head| = @<classes>[0]$ for all $0 \le i <
250     @<n_classes>$, $@<classes>[0]@->@|cls|.@|link|$ is always null, and
251     $@<classes>[i]@->@|cls|.@|link| = @<classes>[i - 1]$ if $1 \le i <
252     @<n_classes>$.
253
254   \item[off_ichain] The size of the @|ichain| structure for this chain.
255
256   \item[vt] The vtable for this chain.  (It is possible, therefore, to
257     partially duplicate the behaviour of the @<imprint> function by walking
258     the chain structure.\footnote{%
259       There isn't enough information readily available to fill in the class
260       pointers correctly.} %
261     The @<imprint> function is much faster, though.)
262
263   \item[ichainsz] The size of the @|ichain| structure for this chain.
264
265   \end{description}
266 \end{describe}
267
268 %%%--------------------------------------------------------------------------
269 \section{Class and vtable layout} \label{sec:structures.layout}
270
271 The layout algorithms for Sod instances and vtables are nontrivial.  They are
272 defined here in full detail, since they're effectively fixed by Sod's ABI
273 compatibility guarantees, so they might as well be documented for the sake of
274 interoperating programs.
275
276 Unfortunately, the descriptions are rather complicated, and, for the most
277 part not necessary to a working understanding of Sod.  The skeleton structure
278 definitions shown should be more than enough for readers attempting to make
279 sense of the generated headers and tables.
280
281 In the description that follows, uppercase letters vary over class names,
282 while the corresponding lowercase letters indicate the class nicknames.
283 Throughout, we consider a class $C$ (therefore with nickname $c$).
284
285
286 \subsection{Generic instance structure}
287 \label{sec:structures.layout.instance}
288
289 The entire state of an instance of $C$ is contained in a single structure of
290 type @|struct $C$__ilayout|.
291
292 \begin{prog}
293   struct $C$__ilayout \{ \\ \ind
294     union $C$__ichainu_$h$ \{ \\ \ind
295       struct $C$__ichain_$h$ \{ \\ \ind
296         const struct $C$__vt_$h$ *_vt; \\
297         struct $H$__islots $h$; \\
298         \quad$\vdots$ \\
299         struct $C$__islots \{ \\ \ind
300           @<type>_1 @<slot>_1; \\
301           \quad$\vdots$ \\
302           @<type>_n @<slot>_n; \- \\
303         \} $c$; \- \\
304       \} $c$; \\
305       struct $H$__ichain_$h$ $h$; \\
306       \quad$\vdots$ \- \\
307     \} $h$; \\
308     union $B$__ichainu_$i$ $i$; \\
309     \quad$\vdots$ \- \\
310   \};
311   \\[\bigskipamount]
312   typedef struct $C$__ichain_$h$ $C$;
313 \end{prog}
314
315 The set of superclasses of $C$, including itself, can be partitioned into
316 chains by following their distinguished superclass links.  (Formally, the
317 chains are the equivalence classes determined by the reflexive, symmetric,
318 transitive closure of the `links to' relation.)  Chains are identified by
319 naming their least specific classes; the least specific class in a chain is
320 called the \emph{chain head}.  Suppose that the chain head of the chain
321 containing $C$ itself is named $H$ (though keep in mind that it's possible
322 that .$H$ is in fact $C$ itself.)
323
324 \subsubsection{The ilayout structure}
325 The @|ilayout| structure contains one member for each of $C$'s superclass
326 chains.  The first such member is
327 \begin{prog}
328   union $C$__ichainu_$h$ $h$;
329 \end{prog}
330 described below; this is followed by members
331 \begin{prog}
332   union $B$__ichainu_$i$ $i$;
333 \end{prog}
334 for each other chain, where $I$ is the head and $B$ the tail (most-specific)
335 class of the chain.  The members are in decreasing order of the specificity
336 of the chains' most-specific classes.  (Note that all but the first of these
337 unions has already been defined as part of the definition of the
338 corresponding $B$.)
339
340 \subsubsection{The ichainu union}
341 The @|ichainu| union contains a member for each class in the chain.  The
342 first is
343 \begin{prog}
344   struct $C$__ichain_$h$ $c$;
345 \end{prog}
346 and this is followed by corresponding members
347 \begin{prog}
348   struct $A$__ichain_$h$ $a$;
349 \end{prog}
350 for each of $C$'s superclasses $A$ in the same chain in some (unimportant)
351 order.
352
353 \subsubsection{The ichain structure}
354 The
355 @|ichain|
356 structure contains (in order), a pointer
357 \begin{prog}
358   const struct $C$__vt_$h$ *_vt;
359 \end{prog}
360 followed by a structure
361 \begin{prog}
362   struct $A$__islots $a$;
363 \end{prog}
364 for each superclass $A$ of $C$ in the same chain which defines slots, from
365 least- to most-specific; if $C$ defines any slots, then the last member is
366 \begin{prog}
367   struct $C$__islots $c$;
368 \end{prog}
369 A `pointer to $C$' is always assumed (and, indeed, defined in C's
370 type system) to be a pointer to the @|struct $C$__ichain_$h$|.
371
372 \subsubsection{The islots structure}
373 Finally, the @|islots| structure simply contains one member for each slot
374 defined by $C$ in the order they appear in the class definition.
375
376
377 \subsection{Generic vtable structure} \label{sec:structures.layout.vtable}
378
379 As described above, each @|ichain| structure of an instance's storage has a
380 vtable pointer
381 \begin{prog}
382   const struct $C$__vt_$h$ *_vt;
383 \end{prog}
384 In general, the vtables for the different chains will have \emph{different}
385 structures.
386
387 The instance layout split neatly into disjoint chains.  This is necessary
388 because each @|ichain| must have as a prefix the @|ichain| for each
389 superclass in the same chain, and each slot must be stored in exactly one
390 place.  The layout of vtables doesn't have this second requirement: it
391 doesn't matter that there are multiple method entry pointers for the same
392 effective method as long as they all work correctly.  Indeed, it's essential
393 that they do, because each chain's method entry function will need to apply a
394 different offset to the receiver pointer before invoking the effective
395 method.
396
397 A vtable for a class $C$ with chain head $H$ has the following general
398 structure.
399 \begin{prog}
400   union $C$__vtu_$h$ \{ \\ \ind
401     struct $C$__vt_$h$ \{ \\ \ind
402       const $P$ *_class; \\
403       size_t _base; \\
404       \quad$\vdots$ \\
405       const $Q$ *_cls_$j$; \\
406       \quad$\vdots$ \\
407       ptrdiff_t _off_$i$; \\
408       \quad$\vdots$ \\
409       struct $C$__vtmsgs_$a$ \{ \\ \ind
410         @<type> (*@<msg>)($C$ *, $\dots$); \\
411         \quad$\vdots$ \- \\
412       \} $a$; \\
413       \quad$\vdots$ \- \\
414     \} $c$; \- \\
415   \};
416   \\[\bigskipamount]
417   extern const union $C$__vtu_$h$ $C$__vtable_$h$;
418 \end{prog}
419
420 \subsubsection{The vtu union}
421 The outer layer is a @|union $C$__vtu_$h$| containing a member
422 \begin{prog}
423   struct $A$__vt_$h$ $a$;
424 \end{prog}
425 for each of $C$'s superclasses $A$ in the same chain, with $C$ itself listed
426 first.
427
428 This is mostly an irrelevant detail,
429 whose purpose is to defend against malicious compilers:
430 pointers are always to one of the inner
431 @|vt|
432 structures.
433 It's important only because it's the outer
434 @|vtu|
435 union which is exported by name.
436 Specifically, for each chain of
437 $C$'s
438 superclasses
439 there is an external object
440 \begin{prog}
441   const union $A$__vtu_$i$ $C$__vtable_$i$;
442 \end{prog}
443 where $A$ and $I$ are respectively the most and least specific classes in the
444 chain.
445
446 \subsubsection{The vt structure}
447 The first member in the @|vt| structure is the \emph{root class pointer}
448 \begin{prog}
449   const $P$ *_class;
450 \end{prog}
451 Among the superclasses of $C$ there must be exactly one class $O$ which
452 itself has no direct superclasses; this is the \emph{root superclass} of $C$.
453 (This is a rule enforced by the Sod translator.)  The metaclass $R$ of $O$ is
454 then the \emph{root metaclass} of $C$.  The @|_class| member points to the
455 @|ichain| structure of most specific superclass $P$ of $M$ in the same chain
456 as $R$.
457
458 This is followed by the \emph{base offset}
459 \begin{prog}
460   size_t _base;
461 \end{prog}
462 which is simply the offset of the @|ichain| structure from the instance base.
463
464 The rest of the vtable structure is populated by walking the superclass chain
465 containing $C$ as follows.  For each such superclass $B$, in increasing order
466 of specificity, walk the class precedence list of $B$, again starting with
467 its least-specific superclass.  (This complex procedure guarantees that the
468 vtable structure for a class is a prefix of the vtable structure for any of
469 its subclasses in the same chain.)
470
471 So, let $A$ be some superclass of $C$ which has been encountered during this
472 traversal.
473
474 \begin{itemize}
475
476 \item Let $N$ be the metaclass of $A$.  Examine the superclass chains of $N$
477   in order of decreasing specificity of their most-specific classes.  Let $J$
478   be the chain head of such a chain, and let $Q$ be the most specific
479   superclass of $M$ in the same chain as $J$.  Then, if there is currently no
480   class pointer of type $Q$, then add a member
481   \begin{prog}
482     const $Q$ *_cls_$j$;
483   \end{prog}
484   to the vtable pointing to the appropriate @|islots| structure within $M$'s
485   class object.
486
487 \item Examine the superclass chains of $A$ in order of decreasing specificity
488   of their most-specific classes.  Let $I$ be the chain head of such a chain.
489   If there is currently no member @|_off_$i$| then add a member
490   \begin{prog}
491     ptrdiff_t _off_$i$;
492   \end{prog}
493   to the vtable, containing the (signed) offset from the @|ichain| structure
494   of the chain headed by $h$ to that of the chain headed by $i$ within the
495   instance's layout.
496
497 \item If class $A$ defines any messages, and there is currently no member
498   $a$, then add a member
499   \begin{prog}
500     struct $C$__vtmsgs_$a$ $a$;
501   \end{prog}
502   to the vtable.  See below.
503
504 \end{itemize}
505
506 \subsubsection{The vtmsgs structure}
507 Finally, the @|vtmsgs| structures contain pointers to the effective method
508 entry functions for the messages defined by a superclass.  There may be more
509 than one method entry for a message, but all of the entry pointers for a
510 message appear together, and entry pointers for separate messages appear in
511 the order in which the messages are defined.  If the receiver class has no
512 applicable primary method for a message then it's usual for the method entry
513 pointer to be null (though, as with a lot of things in Sod, extensions may do
514 something different).
515
516 For a standard message which takes a fixed number of arguments, defined as
517 \begin{prog}
518   @<type>_0 $m$(@<type>_1 @<arg>_1, $\ldots$, @<type>_n @<arg>_n);
519 \end{prog}
520 there is always a `main' entry point,
521 \begin{prog}
522   @<type>_0 $m$($C$ *me, @<type>_1 @<arg>_1, $\ldots$, @<type>_n @<arg>_n);
523 \end{prog}
524
525 For a standard message which takes a variable number of arguments,
526 defined as
527 \begin{prog}
528   @<type>_0 $m$(@<type>_1 @<arg>_1, $\ldots$, @<type>_n @<arg>_n, \dots);
529 \end{prog}
530 two entry points are defined: the usual `main' entry point which accepts a
531 variable number of arguments, and a `valist' entry point which accepts an
532 argument of type @|va_list| in place of the variable portion of the argument
533 list.
534 \begin{prog}
535   @<type>_0 $m$($C$ *me, @<type>_1 @<arg>_1, $\ldots$,
536                 @<type>_n @<arg>_n, \dots); \\
537   @<type>_0 $m$__v($C$ *me, @<type>_1 @<arg>_1, $\ldots$,
538                    @<type>_n @<arg>_n, va_list sod__ap);
539 \end{prog}
540
541
542 \subsection{Additional definitions} \label{sec:structures.layout.additional}
543
544 In addition to the instance and vtable structures described above, the
545 following definitions are made for each class $C$.
546
547 For each message $m$ directly defined by $C$ there is a macro definition
548 \begin{prog}
549   \#define $C$_$m$(@<me>, $\ldots$) @<me>@->_vt@->$c$.$m$(@<me>, $\ldots$)
550 \end{prog}
551 which makes sending the message $m$ to an instance of (any subclass of) $C$
552 somewhat less ugly.
553
554 If $m$ takes a variable number of arguments, the macro is more complicated
555 and is only available in compilers advertising C99 support, but the effect is
556 the same.  For each variable-argument message, there is also an additional
557 macro for calling the `valist' entry point.
558 \begin{prog}
559   \#define $C$_$m$__v(@<me>, $\ldots$, @<sod__ap>)
560     @<me>@->_vt@->$c$.$m$__v(@<me>, $\ldots$, @<sod__ap>)
561 \end{prog}
562
563 For each proper superclass $A$ of $C$, there is a macro defined
564 \begin{prog}
565   $A$ *$C$__CONV_$a$($C$ *_obj);
566 \end{prog}
567 (named in \emph{upper case}) which converts a (static-type) pointer to $C$ to
568 a pointer to the same actual instance, but statically typed as a pointer to
569 $A$.  This is most useful when $A$ is not in the same chain as $C$ since
570 in-chain upcasts are both trivial and rarely needed, but the full set is
571 defined for the sake of completeness.
572
573 Finally, the class object is defined as
574 \begin{prog}
575   extern const struct $R$__ilayout $C$__classobj; \\
576   \#define $C$__class (\&$C$__classobj.$j$.$r$)
577 \end{prog}
578 The exported symbol @|$C$__classobj| contains the entire class instance.
579 This is usually rather unwieldy.  The macro @|$C$__class| is usable as a
580 pointer of type @|const $R$~*|, where $R$ is the root metaclass of $C$, i.e.,
581 the metaclass of the least specific superclass of $C$; usually this is
582 @|const SodClass~*|.
583
584 %%%----- That's all, folks --------------------------------------------------
585
586 %%% Local variables:
587 %%% mode: LaTeX
588 %%% TeX-master: "sod.tex"
589 %%% TeX-PDF-mode: t
590 %%% End: