Обратные вызовы в C++

Виталий Евгеньевич Ткаченко, 2020

В практике разработки ПО зачастую встает задача динамической модификации программного кода в зависимости от текущих или настраиваемых значений параметров. Для решения этой задачи широко используются обратные вызовы. В языке C++ обратные вызовы реализуются различными способами, и далеко не всегда очевидно, какой из них лучший для конкретной ситуации. В книге рассмотрены теоретические и практические аспекты организации обратных вызовов, проанализированы достоинства и недостатки различных реализаций, выработаны рекомендации по выбору в зависимости от требований к проектируемому ПО. В первую очередь книга предназначена для программистов среднего (middle) уровня, т.е. тех, кто уже достаточно хорошо знает язык C++, но хотел бы расширить и углубить свои знания в области проектирования и дизайна. В определенной степени она также будет интересна опытным разработчикам, с одной стороны, как систематизация знаний, с другой стороны, как источник идей и методов для решения практических задач.

1. Теоретические основы обратных вызовов

1.1. Концепция обратных вызовов

1.1.1. Интуитивное определение

Представьте следующую ситуацию. Вам нужно совершить платеж в банке. Вы идете в банк, берете талон, дожидаетесь, пока вас пригласят, и совершаете платеж. Но ведь столько времени придется потратить, в банке всегда такие очереди… Есть вариант получше: попросить свою маму (или бабушку) зайти в банк и занять очередь. Когда очередь подойдет, мама (или бабушка) позвонит, и вам остается только прийти и сделать платеж. Если же вы в этот день сильно заняты, тогда можно оставить телефон друга, и он сделает платеж вместо вас.

Итак, результат один и тот же, но последовательность действий различная. В первом случае вы сами идете в банк, отстаиваете очередь и совершаете платеж, т. е. выполняете все необходимые операции. Во втором случае вы сидите и ожидаете, когда вам позвонят, т. е. сделают вызов, и делаете только одно действие, а именно — совершаете платеж. Либо это делает ваш друг, если маме (или бабушке) дали его, а не ваши контакты. Можно утверждать, что ваша мама (или бабушка) инициировала, а вы выполнили обратный вызов.

1.1.2. Обратный вызов как паттерн

Перейдем теперь на язык программирования и дадим формальное определение.

Обратный вызов — это паттерн, в котором какой-либо исполняемый код как аргумент передается в другой код, при этом ожидается, что через сохраненный аргумент исполняемый код будет запущен в требуемый момент времени.

Возвращаясь к неформальному примеру: здесь выполнение платежа можно считать исполняемым кодом, номер телефона — аргументом, телефонный звонок — запуском кода на выполнение.

Графически описанную концепцию можно проиллюстрировать следующим образом (Рис. 1). В программе существует код, выполняющий какие-либо операции, или исполняемый код. Когда программа запускается, исполняемый код как аргумент передается в другой код, или вызывающий код. Вызывающий код сохраняет переданный аргумент и начинает работу. В нужный момент времени, используя сохраненный аргумент, вызывающий код запускает исполняемый код, т. е. осуществляет обратный вызов.

Рис. 1. Концепция обратных вызовов

1.1.3. Прямые и обратные вызовы

Различие между прямым и обратным вызовом проиллюстрировано на Рис. 2. В первом случае поток управления запускает вызывающий код, из которого вызывается исполняемый код, и далее управление возвращается в точку вызова. Во втором случае поток управления идет мимо исполняемого кода и настраивает аргумент в вызывающем коде, а вызов исполняемого кода осуществляет уже вызывающий код, т. е. поток управления идет в обратном направлении. Таким образом, мы имеем обратный вызов.

Рис. 2. Прямой и обратный вызов

1.2. Задачи, решаемые с помощью обратных вызовов

Все многообразие задач, решаемых с помощью обратных вызовов, можно разделить на следующие группы.

1.2.1. Запрос данных

Представим, что мы разрабатываем программное обеспечение для микроконтроллера управления технологическими процессами. Контроллеру требуется периодически получать показания датчиков, таких как температура, влажность, давление и т. д. Как это реализовать?

Самое простое решение — код для опроса датчиков непосредственно реализовать в ПО контроллера. Но здесь возникает множество вопросов. А если в системе понадобится использовать другую модель датчика, код опроса которого должен быть другим? А если нам нужно использовать различные датчики для различных режимов? А как быть, когда мы вообще не знаем, какие датчики будут использоваться?

Эффективный способ решения указанных проблем — разработка драйвера, т. е. модуля, поддерживающего единый интерфейс вызовов для различных реализаций. Однако одно дело подать идею, а вот реализовать — тут все гораздо сложнее: интерфейс должен быть универсальным и покрывать все возможные требования; необходимо разработать механизм для загрузки нужной реализации интерфейса; требуется каким-то образом связывать интерфейс и реализацию — в итоге нам понадобится сервис поддержки драйверов. Для операционной системы это вполне оправдано, однако для микроконтроллера с его очень ограниченными ресурсами внедрение такого сервиса чревато потерей производительности как из-за большого объема кода, так и из-за дополнительного расхода памяти.

Можно предложить не такое универсальное, зато более простое и менее ресурсоемкое решение с помощью обратных вызовов(Рис. 3). Код опроса упаковывается в отдельный компонент. Перед началом работы происходит настройка, т. е. указанный код как аргумент сохраняется в рабочем коде контроллера. В нужный момент рабочий код делает обратный вызов, выполняет соответствующую функцию и получает требуемое значение. Если необходимо, в процессе работы можно изменять хранимый аргумент, изменяя, таким образом, код опроса датчиков.

Рис. 3. Опрос датчиков с помощью обратного вызова

1.2.2. Вычисления по запросу

Представим, что мы разрабатываем супербыстрый алгоритм сортировки, оптимизированный для работы на нашем многопроцессорном суперкомпьютере. Было потрачено массу усилий, реализовано много кода, и, наконец, алгоритм почти готов. Но вот незадача: мы не знаем заранее, что именно нам нужно сортировать. Сортировка чисел — это самый простой случай, а что делать, если понадобится сортировать, допустим, структуры, содержащие записи из базы данных? Пусть в структуре содержатся сведения о сотрудниках — фамилия, имя, отчество. Как реализовать сортировки по отдельным полям, по совокупности полей? Неужели придется дублировать код для каждого случая?

Простое и эффективное решение указанной проблемы представлено на Рис. 4. Код для сравнения полей упаковывается в отдельный компонент. Когда запускается алгоритм, этот компонент передается как аргумент. В требуемый момент времени алгоритм через указанный аргумент вызовет код сравнения, передавая элементы данных как параметры. Таким образом, можно реализовать различные правила сравнения и передавать их алгоритму без изменения рабочего кода.

Рис. 4. Результат вычисления с помощью обратного вызова

1.2.3. Перебор элементов

Представим, что мы разрабатываем модуль сетевого обмена. Как пользователю узнать, какие протоколы поддерживаются?

Самое простое решение — получить количество поддерживаемых протоколов, а затем запрашивать их имена по порядковому номеру. Данный способ легко реализуем, если внутри модуля имена протоколов хранятся в массиве. А если имена нужно хранить в списке? Тогда задача усложняется: нужно сделать перебор элементов списка, чтобы получить нужное значение по порядковому номеру. А если имена должны храниться в виде двоичного дерева?

Возможное решение: разработать итератор — специальный класс, который будет осуществлять навигацию по контейнеру. Такой подход реализован, к примеру, в стандартной библиотеке STL, где для каждого контейнера имеется соответствующий итератор. Недостаток этого решения проявляется в том, что мы ограничиваем сферу применения модуля, построенного таким образом: его использовать могут только те компоненты, которые способны интерпретировать вызовы методов C++. Кроме того, итератор привязан к типу используемого контейнера, и при его изменении приходится перекомпилировать все связанные компоненты.

А что, если реализовать итератор с помощью набора функций, без использования классов? Интерфейс получается довольно сложным: необходимы отдельные функции для создания итератора, запроса значений, уничтожения итератора; необходимо объявить тип данных для хранения итератора; необходимо предусмотреть уничтожение итератора в случае возникновения исключений.

Простое и эффективное решение указанных проблем представлено на Рис. 5. Код, обрабатывающий имена поддерживаемых протоколов (например, отображение в пользовательском интерфейсе), упаковывается в отдельный компонент. Для получения протоколов вызывается функция, в которую указанный компонент передается как аргумент. Функция перебирает хранимые значения, для каждого значения через сохраненный аргумент вызывается код обработки, имя протокола передается как параметр.

Рис. 5. Просмотр элементов с помощью обратных вызовов

1.2.4. Уведомление о событиях

Представим, что мы в системе запустили таймер, и нам нужно получить уведомление о срабатывании таймера. Самое простое решение — в процессе выполнения опрашивать таймер и анализировать, не истекло ли время. Как часто нужно делать опрос? Слишком часто — теряется производительность, слишком редко — теряется точность. Кроме того, приходится постоянно в определенных участках кода вставлять вызов опроса. Учитывая, что в программе могут работать несколько потоков, опрашивать таймер они будут с разной частотой, и каждый поток обнаружит срабатывание таймера в разное время.

Простое и эффективное решение указанных проблем представлено на Рис. 6. Код, обрабатывающий срабатывание таймера, упаковывается в отдельный компонент. Когда запускается таймер, этот компонент как аргумент передается таймеру, и когда таймер сработает, через сохраненный аргумент будет вызван код обработки. По такому же принципу можно организовать асинхронный ввод-вывод, обработку прерываний и т. п.

Рис. 6. Уведомление о срабатывании таймера с помощью обратного вызова

Итак, мы рассмотрели типовые задачи, в которых используются обратные вызовы. Как видим, подставляя соответствующие аргументы, можно запускать на выполнение различные участки программного кода. Отсюда можно сделать вывод, что обратные вызовы целесообразно использовать в случаях, когда требуется динамическая модификация поведения программы во время выполнения.

1.3. Модель обратных вызовов

1.3.1. Определения и термины

Модель обратных вызовов изображена на Рис. 7. Структурно она состоит из двух частей: исполнитель и инициатор.

Исполнитель — это компонент, в который упаковывается код обратного вызова (исполняемый код). Исполнитель также содержит контекст, который представляет собой совокупность данных, влияющих на поведение исполняемого кода.

Инициатор — это компонент, который осуществляет обратный вызов. Перед началом работы выполняется настройка, при которой исполнитель как аргумент вместе с контекстом сохраняются в инициаторе. Затем инициатор запускается, и в нужный момент, используя хранимый аргумент, он делает вызов исполняемого кода. В качестве входных параметров в этот код передается сохраненный контекст и информация вызова, которая представляет собой значения, формируемые инициатором.

Рис. 7. Модель обратных вызовов

Дадим формальные определения используемых терминов.

Исполнитель: компонент, который реализует исполняемый код обратного вызова.

Инициатор: компонент, который осуществляет обратный вызов.

Аргумент: хранимая точка входа в код обратного вызова.

Настройка: процедура сохранения аргумента.

Информация вызова: значения, которые формируются инициатором и передаются в исполнитель.

Контекст: множество переменных и состояний, которые влияют на поведение исполняемого кода.

В процессе реализации обратного вызова нам нужно ответить на следующие вопросы.

1. Как оформить исполняемый код, чтобы он мог быть вызван инициатором?

2. Как хранить аргумент?

3. Как передавать контекст?

Различные способы реализации дают свои ответы на поставленные вопросы. Но прежде, чем приступить к их изучению, необходимо осветить еще несколько моментов.

1.3.2. Контекст

Вне зависимости от того, каким способом реализован исполнитель, исполняемый код всегда находится внутри тела некоторой функции. Если результат выполнения функции зависит только от входных параметров, то контекст оказывается ненужным. В качестве примера можно привести случай, когда обратный вызов возвращает результат сравнения переданных аргументов.

Однако такая ситуация встречается далеко не всегда, в большинстве случаев требуется знать значения переменных, внешних по отношению к функции исполнителя. Другими словами, необходимо получить контекст вызова.

Важность контекста можно проиллюстрировать на следующем примере. Пусть мы реализуем подсистему сетевого обмена, которая осуществляет передачу данных по каналам связи. Для управления каналом создается отдельный класс, задачей которого является формирование и отправка пакетов через вызовы соответствующих функций операционной системы. Операционная система, в свою очередь, подтверждает о доставке пакета через обратный вызов (Рис. 8). Как нам узнать в коде обработчика вызова, для какого класса предназначено подтверждение? Здесь-то и необходим контекст вызова, в качестве которого выступает указатель на класс, управляющий нужным каналом. Этот указатель не хранится внутри кода обработчика, он должен каким-то образом ему передаваться. Другими словами, обработчик вызова должен получить контекст. Различные реализации обратных вызовов предлагают свои собственные способы передачи и интерпретации контекста, которые будут подробно рассматриваться в соответствующих главах.

Рис. 8. Сетевой обмен и контекст вызова

1.4. Архитектурный дизайн вызовов

1.4.1. Синхронные и асинхронные вызовы

C точки зрения архитектурного дизайна обратные вызовы можно разделить на синхронные и асинхронные. Если при вызове какой-либо функции инициатора обратный вызов происходит внутри тела этой функции, которая затем возвращает управление, то вызов является синхронным (другое название — блокирующий). Если обратный вызов может произойти в любое время, то этот вызов является асинхронным (другое название — отложенный).

Синхронный вызов — архитектурный дизайн, в котором при вызове функции инициатора обратный вызов происходит до выхода из тела этой функции.

Асинхронный вызов — архитектурный дизайн, в котором обратный вызов может быть выполнен в любое время.

Различие между синхронными и асинхронными вызовами проиллюстрировано на Рис. 9. В первом случае поток управления входит в функцию Run, из которой вызывается функция обратного вызова, и затем управление возвращается в точку вызова. Во втором случае функция Run вначале производит сохранение аргумента, а затем выполняет некоторое действия (Action), внутри которого делает обратный вызов. В качестве действия может выступать циклический опрос, обработка очереди сообщений, создание отдельного потока и т. п.

Рис. 9. Синхронные и асинхронные вызовы: а) синхронный; б) асинхронный

Особенностью реализации синхронных вызовов является то, что здесь не нужно хранить аргумент: он передается как параметр в функцию инициатора и используется только внутри этой функции. В случае асинхронных вызовов необходима предварительная настройка аргумента, который должен быть сохранен в какой-либо нелокальной переменной.

1.4.2. Использование вызовов в API

API (Application Programming interface, интерфейс прикладных программ) — это программный код, реализующий некоторую функциональность, а также объявления, через которые некоторая программа может вызывать этот код. Указанные объявления реализуют интерфейс API.

Интерфейс API — набор объявлений для вызова кода API.

При проектировании API должны соблюдаться следующие требования.

1. Интерфейс должен следовать определённым соглашениям. Следуя указанным соглашениям, стороннее приложение может осуществлять вызовы кода API.

2. Интерфейс должен быть изолирован от реализации. Должна существовать возможность изменения кода реализации без изменения интерфейса.

3. Код должен быть подготовлен к выполнению. Для C++ это означает, что код должен быть предварительно откомпилирован.

С точки зрения C++ интерфейсы API могут быть разделены на два больших класса.

Системный API: интерфейс объявляется в виде набора функций, поддерживающих стандартный протокол вызова. Любая программа, независимо от того, на каком языке она написана, может обратиться к указанному API путем вызова функций интерфейса. Как правило, системные API реализуются в виде динамически разделяемых библиотек. В качестве примера можно назвать всем известный Windows API, реализация которого находится в системной библиотеке User32.dll. Любое приложение может загрузить эту библиотеку и вызывать требуемые функции для выполнения системных вызовов.

C++ API: интерфейс объявляется в виде набора классов C++. Как и системные, С++ API чаще всего реализуются в виде динамических библиотек, но могут поставляться также в виде статических. Использовать такие API могут только те программные компоненты, которые могут интерпретировать вызовы C++. Так, например, среда выполнения для языка Python может вызывать методы классов C++, а вот у Visual Basic такая возможность отсутствует.

Интерфейсы системных API должны объявляться в стиле языка C, т. е. в них должны использоваться функции с фиксированным числом параметров и простые структуры данных, такие, как числа, символы, указатели и структуры. Это связано с тем, что такие объявления следуют стандартным соглашениям операционной системы, в силу чего любая программа, независимо от используемого языка программирования (даже написанная на ассемблере), может использовать указанный API. Однако из-за требования описания интерфейсов в стиле C на реализацию обратных вызовов накладываются ограничения, которые будут рассматриваться в соответствующих главах.

1.5. Итоги

Обратный вызов — это паттерн, в котором какой-либо исполняемый код как аргумент передается в другой код, при этом ожидается, что через сохраненный аргумент исполняемый код будет запущен в нужный момент времени. Основные классы задач, решаемые с помощью обратных вызовов, следующие: запрос данных; вычисления по запросу; перебор элементов; уведомления о событиях.

Модель обратных вызовов включает в себя следующие понятия: исполнитель, инициатор, аргумент, настройка, контекст.

В синхронных вызовах при вызове функции инициатора обратный вызов осуществляется до выхода из тела функции. В асинхронных вызовах вызов может быть выполнен в любое время.

Обратные вызовы часто используются в системных и C++ API. При использовании в системных API на реализацию обратных вызовов накладываются ограничения.

Рассмотрев общую концепцию, приступим к обзору способов реализации обратных вызовов.