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C++26 컴파일 타임 리플렉션(Reflection)

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By hyongsiwoo
14 분읽는 시간
C++26 컴파일 타임 리플렉션(Reflection)

이 글은 C++26 초안(P2996R13)과 bloomberg/clang-p2996 리플렉션 구현을 기반으로 작성되었습니다.
C++26 표준이 확정되기 전까지는 내용이 부정확하거나 변경될 수 있습니다.

1. 개요

이번 C++26 표준에서는 많은 C++ 개발자들이 오랫동안 기다려온 기능인 컴파일 타임 리플렉션(Reflection)이 도입될 예정입니다.

리플렉션(Reflection)이란? 리플렉션은 프로그램이 자신의 구조를 검사하고 수정할 수 있는 능력을 말합니다.

지금까지는 C++에서 리플렉션을 구현하기 위해 매크로, 템플릿 메타프로그래밍, 외부 라이브러리 등을 사용해야 했지만, C++26에서부터 리플렉션을 위한 공식적인 문법이 도입되어, 보다 직관적이고 간편하게 리플렉션 기능을 사용할 수 있게 되었습니다.

2. 새로 추가된 문법

이번 C++26에서는 리플렉션을 위해 다음과 같은 새로운 문법이 추가되었습니다.

2.1. 리플렉션 연산자: ^^

리플렉션 연산자 ^^는 표현식 앞에 붙어 해당 클래스나 함수, 변수 등의 구조 정보를 추출하는 데 사용됩니다. 이렇게 변환된 정보는 std::meta::info라는 특별한 타입으로 표현됩니다.

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#include <meta>

namespace MyNamespace {}
class MyClass {};

int main() {
    // int 타입에 대한 리플렉션 정보 가져오기
    constexpr auto int_refl = ^^int;

    // MyNamespace 네임스페이스에 대한 리플렉션 정보 가져오기
    constexpr auto namespace_refl = ^^MyNamespace;

    // MyClass 타입에 대한 리플렉션 정보 가져오기
    constexpr std::meta::info my_class_refl = ^^MyClass;
}

2.2. 스플라이서: [: ... :]

스플라이서 [: ... :]는 리플렉션 연산자와는 반대로, std::meta::info 객체가 담고 있는 정보를 다시 원래의 코드 요소(타입, 변수 등)로 되돌리는 역할을 합니다.

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namespace MyNamespace {
    class TestClass {};
}

class MyClass {};

int main() {
    constexpr auto int_refl = ^^int;
    constexpr auto ns_refl = ^^MyNamespace;
    constexpr auto my_class_refl = ^^MyClass;

    // 리플렉션 정보를 원본 타입으로 변환
    typename[:int_refl:] int_var = 42;        // int int_var = 42;
    [:ns_refl:]::TestClass namespace_var{};   // MyNamespace::TestClass namespace_var{};
    typename[:my_class_refl:] my_class_var{}; // MyClass my_class_var{};
}

위 코드에서처럼 리플렉션 정보를 다시 타입으로 사용하기 위해 typename[:int_refl:] 형태로 쓸 수 있습니다. 이때 typename 키워드는 스플라이서가 변환할 결과물이 타입이라는 것을 컴파일러에게 명시적으로 알려주는 역할을 합니다.

주의할 점으로는, 스플라이서에 들어갈 수 있는 값은 반드시 컴파일 타임에 결정되는 값이어야 하며, 런타임에 결정되는 값은 사용할 수 없습니다.

3. 새로 추가된 <meta> 헤더와 Metafunctions

위에서 설명한 리플렉션 연산자(^^)와 스플라이서([:...:])만 사용해서는 리플렉션 기능을 완전히 활용하기 어렵습니다.

그래서 C++26에서는 <meta>라는 새로운 헤더 파일이 추가되어, std::meta::info 객체를 다루는 데 필요한 다양한 기능을 제공합니다.

여기서는 이후의 활용 예제에서 사용될 핵심적인 함수 몇 가지를 중심으로 소개하겠습니다.

아래 함수들은 bloomberg/clang-p2996에서 자세히 확인할 수 있습니다.

3.1. 리플렉션 정보 확인 함수 (Predicate Functions)

아래의 함수들은 리플렉션 객체가 특정한 속성을 가지고 있는지 확인하는 데 사용됩니다. 리플렉션 정보가 특정 조건을 만족하는지 확인하는 데 유용합니다.

함수설명
has_identifier(info)주어진 info 객체가 식별자를 가지고 있는지 확인합니다.
is_type(info)주어진 info 객체가 타입 정보를 담고 있는지 확인합니다.
is_enum_type(info)주어진 info 객체가 열거형 타입인지 확인합니다.
is_function(info)주어진 info 객체가 함수 정보를 담고 있는지 확인합니다.
is_class(info)주어진 info 객체가 클래스 정보를 담고 있는지 확인합니다.
is_public(info)주어진 info 객체가 public 멤버인지 확인합니다.
is_protected 및 is_private 함수도 같이 존재합니다!
is_virtual(info)주어진 info 객체가 가상(virtual) 멤버인지 확인합니다.
is_override(info)주어진 info 객체가 오버라이드된 멤버인지 확인합니다.

3.2. 멤버 및 관계 조회 함수 (Lookup Functions)

아래의 함수들은 리플렉션 객체의 내부구조나, 상속, 객체간의 관계를 조회하는 데 사용됩니다.

함수설명
identifier_of(info)주어진 info 객체의 식별자(이름)를 반환합니다.
bases_of(info, ctx)주어진 info 객체의 모든 상위 클래스 목록을 반환합니다.
members_of(info, ctx)주어진 info 객체의 모든 멤버 목록을 반환합니다.
nonstatic_data_members_of(info, ctx)주어진 info 객체의 비정적 데이터 멤버 목록을 반환합니다.
static_data_members_of(info, ctx)주어진 info 객체의 정적(static) 데이터 멤버 목록을 반환합니다.
enumerators_of(info, ctx)주어진 info 객체의 열거형 멤버 목록을 반환합니다.
is_same_type(info1, info2)두 info 객체가 같은 타입인지 확인합니다.

3.3. 메타데이터 변환 및 타입 생성 함수

아래의 함수들은 리플렉션 정보를 원래의 타입으로 변환하거나, 템플릿 인자를 대체하여 새로운 타입을 생성하는 데 사용됩니다.

함수설명
extract<T>(info)주어진 info 객체가 가지고 있는 값을 원래 타입 T의 값으로 변환합니다.
substitute(info, args...)주어진 템플릿 리플렉션 정보와, 템플릿 인자의 리플렉션 정보를 조합하여,
특정 템플릿을 구체화한 타입에 대한 info객체를 생성합니다.
reflect_constant(const T&)주어진 상수 값을 리플렉션 정보로 변환합니다.
reflect_object(T&)주어진 객체를 리플렉션 정보로 변환합니다.
reflect_function(T&)주어진 함수를 리플렉션 정보로 변환합니다.
type_of(info)주어진 info 객체가 가리키는 타입의 std::meta::info를 반환합니다.
object_of(info)주어진 info 객체가 가리키는 객체의 std::meta::info를 반환합니다.
constant_of(info)주어진 info 객체가 가리키는 상수의 std::meta::info를 반환합니다.

4. 리플렉션의 활용

그러면 이 리플렉션 기능을 어떻게 활용할 수 있을까요? 몇 가지 예시를 들어보겠습니다.

4.1. 멤버 선택 (Selecting Members)

아래 예시코드는 구조체/클래스의 멤버를 이름 및 인덱스로 접근하는 방법입니다.

Compiler Explorer에서 실행하기

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#include <meta>
#include <print>
#include <string_view>

struct MyStruct {
    int a;
    double b;
    char c;
};

// 인덱스로 멤버 선택
template <typename T>
    requires std::is_class_v<T>
consteval auto select_by_index(size_t index) -> std::meta::info {
    // 현재 코드위치에서 MyStruct의 접근할 수 있는 범위 컨텍스트를 가져옵니다.
    constexpr auto ctx = std::meta::access_context::current();

    // T 타입의 멤버 목록에서 인덱스에 해당하는 멤버를 반환합니다.
    return std::meta::nonstatic_data_members_of(^^T, ctx)[index];
}

// 이름으로 멤버 선택
template <typename T>
    requires std::is_class_v<T>
consteval auto select_by_name(std::string_view name) -> std::meta::info {
    using namespace std::meta;

    // 현재 코드위치에서 MyStruct의 접근할 수 있는 범위 컨텍스트를 가져옵니다.
    constexpr auto ctx = access_context::current();

    for (auto field : nonstatic_data_members_of(^^T, ctx)) {
        // 멤버의 이름과 name이 일치하는지 확인후, 멤버의 정보를 담은 info객체를 반환합니다.
        if (has_identifier(field) && identifier_of(field) == name) {
            return field;
        }
    }

    // 만약 일치하는 멤버가 없다면, 빈 info 객체를 반환합니다.
    return std::meta::info{};
}

int main() {
    MyStruct var{1, 2.0, 'c'};

    var.[:select_by_index<MyStruct>(0):] = 10;   // a 멤버에 접근
    var.[:select_by_index<MyStruct>(1):] = 3.14; // b 멤버에 접근
    var.[:select_by_name<MyStruct>("c"):] = 'z'; // c 멤버에 접근

    // 존재하지 않는 멤버에 접근 (컴파일 에러)
    // var.[:select_by_index<MyStruct>(3):] = 42;
    // var.[:select_by_name<MyStruct>("d"):] = 42; // 컴파일 에러

    std::println("a: {}", var.a); // 10
    std::println("b: {}", var.b); // 3.14
    std::println("c: {}", var.c); // z

    return 0;
}

4.2. 열거형 멤버 목록 조회

C++26에서는 열거형 타입에 대한 리플렉션 기능도 제공됩니다. 이를 통해 열거형의 멤버 목록을 쉽게 조회할 수 있습니다.

Compiler Explorer에서 실행하기

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#include <meta>
#include <array>
#include <string_view>
#include <type_traits>
#include <iostream>

template <typename T>
    requires std::is_enum_v<T>
consteval auto get_enum_values()
{
    // 임의의 타입 T에 대한 리플렉션 정보를 가져옵니다.
    constexpr auto refl = ^^T;

    // requires 대신 static_assert를 사용할 경우
    static_assert(std::meta::is_enum_type(refl), "T must be an enum type");

    // 열거형의 멤버 목록을 가져옵니다.
    auto enum_values = std::meta::enumerators_of(refl);
    constexpr size_t len = std::meta::enumerators_of(refl).size();

    std::array<std::string_view, len> ret{};
    for (size_t i = 0; i < len; ++i)
    {
        // 각 열거형 멤버의 식별자를 문자열로 변환하여 배열에 저장합니다.
        ret[i] = std::meta::identifier_of(enum_values[i]);
    }

    return ret;
}

enum class MyEnum {
    Value1,
    Value2,
    Value3
};

int main() {
    constexpr auto enum_values = get_enum_values<MyEnum>();

    for (const auto& value : enum_values) {
        std::cout << value << std::endl; // Value1, Value2, Value3
    }

    return 0;
}

표준이 변경됨에 따라 계속 수정될 예정입니다!

참고 문서

C++
c++ c++26 reflection
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