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.

2. Реализация обратных вызовов

2.1. Указатель на функцию

2.1.1. Концепция

Графическое изображение реализации обратного вызова с помощью указателя на функцию представлено на Рис. 10. Исполнитель реализован в виде глобальной функции, в качестве контекста могут выступать любые данные. При настройке указатель на функцию как аргумент и указатель на данные как контекст сохраняются в инициаторе. Инициатор осуществляет обратный вызов посредством вызова функции через сохраненный указатель, передавая ей требуемые значения и контекст — указатель на данные. Поскольку инициатор не интерпретирует контекст и не выполняет с ним никаких операций, для хранения контекста используется нетипизированный указатель.

Рис. 10. Обратный вызов с указателем на функцию

2.1.2. Инициатор

Реализация инициатора представлена в Листинг 1².

Листинг 1.Иинициатор с указателем на функцию

typedef void(*ptr_callback) (int eventID, void* pContextData); // (1)

ptr_callback ptrCallback = NULL; // (2)

void* contextData = NULL; // (3)

void setup(ptr_callback pPtrCallback, void* pContextData) // (4)

{

ptrCallback = pPtrCallback;

contextData = pContextData;

}

void run() // (5)

{

int eventID = 0;

//Some actions

ptrCallback(eventID, contextData); // (6)

}

В строке 1 объявлен тип — указатель на функцию, в строке 2 объявлена переменная этого типа, в строке 3 объявлен указатель на данные контекста. В строке 4 объявлена функция для настройки указателей, в которой инициализируются соответствующие переменные. В строке 5 объявлена функция запуска, внутри этой функции инициатор в строке 6 производит вызов функции по сохраненному указателю. Сигнатура функции, объявленная в строке 1, в качестве первого параметра принимает значение, которое передается инициатором, т. е. информацию вызова, а второй параметр — это контекст. Указанная сигнатура здесь только для примера; конечно же, в зависимости от поставленных задач количество параметров и их порядок может быть произвольным. Мы также опустили моменты, связанные с созданием потока, ожиданием окончания работы сервера и т. п. — для понимания принципов организации вызова это несущественно.

Итак, мы реализовали инициатор в процедурно-ориентированном дизайне. Приведенная реализация имеет серьезный недостаток: указатель на функцию и указатель на контекст хранятся в глобальных переменных. Это создает множество проблем: изменения настроек указателей в разных частях программы не изолированы, т. е. влияют друг на друга; инициатор может работать только с одним-единственным исполнителем; невозможна одновременная работа нескольких потоков. Выходом из сложившейся ситуации будет реализация инициатора в объектно-ориентированном дизайне³ (Листинг 2).

Листинг 2. Инициатор с указателем на функцию в объектно-ориентированном дизайне

class Initiator //(1)

{

public:

using ptr_callback = void(*) (int, void*); //(2)

void setup(ptr_callback pPtrCallback, void* pContextData) // (3)

{

ptrCallback = pPtrCallback; contextData = pContextData; // (4)

}

void run() // (5)

{

int eventID = 0;

//Some actions

ptrCallback (eventID, contextData); // (6)

}

private:

ptr_callback ptrCallback = nullptr; // (7)

void* contextData = nullptr; // (8)

};

В строке 1 мы объявляем класс — инициатор, в строке 2 мы объявляем тип указателя на функцию. В строке 3 объявляем функцию настройки указателей, соответствующие переменные — (указатель на функцию и указатель на контекст) объявлены соответственно в строках 7 и 8. В строке 5 объявлена функция запуска, внутри этой функции в строке 6 производится вызов функции по соответствующему указателю. Как видим, объектная реализация практически полностью повторяет процедурную, только все объявления сделаны внутри класса. Другими словами, мы провели инкапсуляцию данных и процедур внутри некоторой сущности, в качестве которой выступает класс.

Конечно, поскольку мы программируем на C++, мы должны следовать объектно-ориентированному дизайну, и любые реализации делать в его рамках. Для чего тогда мы привели реализацию инициатора в процедурном дизайне, в стиле языка C? Дело в том, что процедурный дизайн является единственно возможным для проектирования системных API, поскольку в объявлениях интерфейсов таких API допускается использование только глобальных функций и простых структур данных (см. п. 1.4.2).

2.1.3. Исполнитель

Реализация исполнителя для случая, когда инициатор разработан в процедурном дизайне, представлена в Листинг 3.

Листинг 3. Исполнитель для инициатора в процедурном дизайне

struct СontextData // (1)

{

//some context data

};

void callbackHandler(int eventID, void* somePointer) // (2)

{

//It will be called by initiator

СontextData* pContextData = (СontextData*)somePointer; // (3)

//Do something here

}

int main() // (4)

{

СontextData clientContext; // (5)

setup(callbackHandler, &clientContext); // (6)

run(); // (7)

//Wait finish

}

В строке 1 объявляется тип данных для контекста. Структура здесь показана для примера, в качестве контекста могут выступать любые типы: числа, указатели, смеси и т. п. В строке 2 объявляется функция — обработчик обратного вызова, ее сигнатура должна совпадать с сигнатурой, с которой работает инициатор. Указанная функция будет вызвана инициатором, в нее будут переданы два параметра: первый передается инициатором (информация вызова, в нашем случае это eventID), а второй — это контекст. Клиент должен интерпретировать контекст; нет другого способа это сделать, кроме как приведением типов (строка 3).

Далее, в строке 4 объявлена основная функция, в которой осуществляются все необходимые операции. В строке 5 объявляются данные контекста; в строке 6 производится настройка обратного вызова, в функцию настройки передаются указатель на функцию-обработчик и указатель на контекст; в строке 7 инициатор запускается.

Реализация исполнителя для случая, когда инициатор реализован в объектно-ориентированном дизайне, представлена в Листинг 4. Как видим, она очень похожа на предыдущую реализацию с той разницей, что мы объявляем экземпляр класса-инициатора (строка 5), и все вызовы осуществляем через вызов соответствующих методов класса.

Листинг 4. Исполнитель для инициатора в объектно-ориентированном дизайне

struct СontextData // (1)

{

//some context data

};

void callbackHandler(int eventID, void* somePointer) // (2)

{

//It will be called by initiator

СontextData* pContextData = static_cast<СontextData*>(somePointer); // (3) cast to context

//Do something here

}

int main() // (4)

{

Initiator initiator; // (5)

СontextData clientContext; // (6)

initiator.setup(callbackHandler, &clientContext); // (7) callback setup

initiator.run(); // (8) initiator has been run

//Wait finish

}

2.1.4. Синхронный вызов

Реализация инициатора для синхронного вызова приведена в Листинг 5. Как видим, для синхронных вызовов код значительно упрощается: нет необходимости хранить переменные, информация вызова и контекст передаются непосредственно в функцию.

Листинг 5. Инициатор для синхронного обратного вызова с указателем на функцию

using ptr_callback = void(*) (int, void*);

void run(ptr_callback ptrCallback, void* contextData = nullptr)

{

int eventID = 0;

//Some actions

ptrCallback (eventID, contextData);

}

2.1.5. Преимущества и недостатки

Достоинства и недостатки реализации обратных вызовов с помощью указателя на функцию представлены в Табл. 1.

Табл. 1. Преимущества и недостатки обратных вызовов с указателем на функцию

Простая реализация. Как мы видели, инициатор реализуется достаточно просто: две переменных, синтаксис вызова функции через указатель очень похож на вызов обычной функции.

Независимость инициатора и исполнителя. Любое изменение кода исполнителя никак не влияет на код инициатора, который при этом остается неизменным

Совместим с кодом на языке C. В некоторых случаях приходится разрабатывать смешанный код, т. е. часть кода пишется C, а часть — на С++. Если код исполнителя написан на C++, и этот код должен быть вызван инициатором, написанным на C, то использование указателей на функцию является единственно доступным механизмом. ⁴

Подходит для реализации любых API. Можно реализовать как С++, так и системные API. Для C++ API инициатор разрабатывается в виде набора классов, для системных API — в виде набора функций.

Инициатор хранит контекст исполнителя. Как мы видели, инициатор вынужден сохранять контекст исполнителя. Это усложняет реализацию и способствует увеличению расхода памяти.

Небезопасный способ трансляции контекста. Контекст передается клиенту в виде нетипизированного указателя, интерпретация указателя возлагается на клиента. В большой программной системе это чревато ошибками, поскольку нет никакой возможности проверить корректность полученного указателя.

2.2. Указатель на статический метод класса

2.2.1. Концепция

Графическое изображение обратного вызова с помощью указателя на статический метод класса представлено на Рис. 11. Исполнитель реализуется в виде класса, код упаковывается в статический метод класса, в качестве контекста выступает указатель на экземпляр класса. При настройке указатель на статический метод как аргумент и указатель на класс как контекст сохраняются в инициаторе. Инициатор осуществляет обратный вызов посредством вызова метода, передавая ему требуемую информацию и контекст — указатель на класс.

Рис. 11. Обратный вызов с указателем на статический метод класса

2.2.2. Инициатор

По своей сути статический метод класса — это обычная функция, ограниченная областью видимости класса. Поэтому реализация инициатора, представленная в Листинг 6, практически полностью повторяет реализацию для указателей на функцию, только в качестве контекста выступает указатель на экземпляр класса.

Листинг 6. Инициатор с указателем на статический метод класса

class Executor; //(1)

class Initiator // (2)

{

public:

using ptr_callback_static = void(*) (int, Executor*); // (3)

void setup(ptr_callback_static pPtrCallback, Executor* pContextData) // (4)

{

ptrCallback = pPtrCallback; contextData = pContextData; // (5)

}

void run() // (6)

{

int eventID = 0;

//Some actions

ptrCallback(eventID, contextData); // (7)

}

private:

ptr_callback_static ptrCallback = nullptr; // (8)

Executor* contextData = nullptr; // (9)

};

В строке 1 делается предварительное объявление типа класса исполнителя. В строке 2 объявляется класс — инициатор, в строке 3 объявляется тип указателя на функцию с контекстом — экземпляром класса. В строке 4 объявлена функция для настройки указателей, соответствующие переменные (указатель на статический метод и указатель на контекст — экземпляр класса) объявлены в строках 8 и 9. В строке 6 объявлена функция запуска, внутри этой функции в строке 7 производится вызов функции по соответствующему указателю c передачей информации вызова и контекста.

2.2.3. Исполнитель

Реализация исполнителя приведена в Листинг 7.

Листинг 7. Исполнитель с указателем на статический метод класса

class Executor // (1)

{

public:

Executor(Initiator* initiator) // (2)

{

initiator->setup(callbackHandler, this);

}

static void callbackHandler(int eventID, Executor* executor) // (3)

{

//It will be called by initiator

executor->onCallbackHandler(eventID); // (4)

}

private:

void onCallbackHandler(int eventID) // (5)

{

//Do what is necessary

}

};

int main() // (6)

{

Initiator initiator; // (7)

Executor executor(&initiator); // (8)

initiator.run(); // (9)

//Wait finish

}

В строке 1 объявляется класс — исполнитель. В строке 2 объявляется конструктор с входным параметром — указателем на инициатор, здесь происходит настройка обратного вызова.⁵

В строке 3 объявлен статический метод как обработчик обратного вызова. Входными параметрами здесь являются информация вызова (в нашем случае это eventID) и указатель на контекст, в качестве которого выступает указатель на экземпляр класса. Внутри метода можно обращаться к содержимому класса, используя полученный указатель как квалификатор. Таким образом, прямо здесь можно реализовать код обработчика, а можно вызвать обычный (нестатический) метод класса (строка 4).

Далее, в строке 6 объявлена основная функция, в которой осуществляются все необходимые операции. В строке 7 объявлен класс-инициатор; в строке 8 объявлен класс — исполнитель, в конструктор передается указатель на инициатор; в строке 9 происходит запуск инициатора.

Особенностью реализации исполнителя с помощью указателя на статический метод является возможность работы с инициатором, предназначенным для указателей на функцию. В этом случае метод класса в качестве контекста должен принимать нетипизированный указатель с последующим приведением типов. Пример использования показан в Листинг 8, инициатор здесь используется из Листинг 1 п. 2.1.2.

Листинг 8. Исполнитель с указателем на статический метод класса для инициатора с нетипизированным контекстом

class Executor // (1)

{

public:

Executor() // (2)

{

setup(callbackHandler, this);

}

static void callbackHandler(int eventID, void* somePointer) // (3)

{

//It will be called by initiator

Executor* executor = static_cast<Executor*>(somePointer); // (4)

executor->onCallbackHandler(eventID);

}

private:

void onCallbackHandler(int eventID) // (5)

{

//Do what is necessary

}

};

int main() // (6)

{

Executor executor; // (7)

run(); // (8)

//Wait finish

}

Настройка обратного вызова осуществляется в конструкторе (строка 2). В обработчике обратного вызова (строка 3) мы делаем приведение типов (строка 4), чтобы получить указатель на экземпляр класса. В главной функции (строка 6) происходит запуск инициатора.

2.2.4. Синхронный вызов

Реализация инициатора для синхронного вызова приведена в Листинг 9. Как видим, она практически полностью повторяет реализацию, рассмотренную в предыдущей главе, только в качестве указателя на контекст используется указатель на экземпляр класса.

Листинг 9. Инициатор для синхронного обратного вызова с указателем на статический метод класса

class Executor;

using ptr_callback_static = void(*) (int, Executor*);

void run(ptr_callback_static ptrCallback, Executor * contextData = nullptr)

{

int eventID = 0;

//Some actions

ptrCallback (eventID, contextData);

}

2.2.5. Преимущества и недостатки

Преимущества и недостатки реализации обратных вызовов с помощью указателя на статический метод класса приведены в Табл. 2.

Табл. 2. Преимущества и недостатки обратных вызовов с указателем на статический метод класса

Простая реализация. Не сложнее, чем для указателей на функцию.

Совместим с инициатором в процедурном дизайне. Можно использовать для работы с системными API.

Инициатор хранит контекст исполнителя. Так же, как и в случае указателей на функцию, усложняет реализацию и способствует увеличению расхода памяти.

2.3. Указатель на метод-член класса

2.3.1. Концепция

В предыдущей главе мы рассматривали использование указателя на статический метод класса, в который в качестве контекста передавали указатель на экземпляр класса. А почему бы нам напрямую не вызвать метод-член класса, минуя прослойку в виде статического метода, из которого вызывается метод-член класса? Для этого нам понадобятся указатель на класс и указатель на метод.

Графическое изображение обратного вызова с помощью указателя на метод-член класса (далее — метод класса) представлено на Рис. 12. Исполнитель реализуется в виде класса, код упаковывается в метод класса, в качестве контекста выступает экземпляр класса. При настройке указатель на метод и указатель на класс как как аргументы сохраняются в инициаторе. Инициатор осуществляет обратный вызов посредством вызова метода, передавая ему требуемую информацию. Контекст здесь передавать не нужно, поскольку внутри метода доступно все содержимое класса.

Рис. 12. Реализация обратного вызова с помощью указателя на метод-член класса

2.3.2. Инициатор

Реализация инициатора приведена в Листинг 10.

Листинг 10. Инициатор с указателем на метод-член класса

class Executor; // (1)

class Initiator // (2)

{

public:

using ptr_callback_method = void(Executor::*)(int); // (3)

void setup(Executor* argCallbackClass, ptr_callback_method argCallbackMethod) // (4)

{

ptrCallbackClass = argCallbackClass; ptrCallbackMethod = argCallbackMethod; // (5)

}

void run() // (6)

{

int eventID = 0;

//Some actions

(ptrCallbackClass->*ptrCallbackMethod)(eventID); // (7)

}

private:

Executor* ptrCallbackClass = nullptr; // (8)

ptr_callback_method ptrCallbackMethod = nullptr; // (9)

};

В строке 1 делается предварительное объявление типа класса исполнителя. В строке 2 объявляется класс-инициатор, в строке 3 объявляется тип указателя для класса-исполнителя. В строке 4 объявляется функция для настройки указателей, соответствующие переменные (указатель на метод класса и указатель на экземпляр класса) объявлены в строках 8 и 9. В строке 6 объявлена функция запуска, внутри этой функции в строке 7 через соответствующий указатель производится вызов метода класса.

2.3.3. Исполнитель

Реализация исполнителя приведена в Листинг 11.

Листинг 11. Исполнитель с указателем на метод-член класса

class Executor // (1)

{

public:

void callbackHandler(int eventID) // (2)

{

//It will be called by initiator

}

};

int main() // (3)

{

Initiator initiator; // (4)

Executor executor; // (5)

initiator.setup(&executor, &Executor::callbackHandler); // (6)

initiator.run(); // (7)

}

В строке 1 объявляется класс-исполнитель. В строке 2 объявлен метод класса, который будет выполнять функцию обработчика обратного вызова. В указанный метод передается информация вызова (в нашем случае это eventID). В строке 3 объявлена основная функция, в которой осуществляются все необходимые операции. В строке 4 объявлен класс-инициатор, в строке 5 объявлен класс-исполнитель. В строке 6 осуществляется настройка обратного вызова, в строке 7 производится запуск инициатора.

2.3.4. Управление контекстом

Рассматриваемая реализация позволяет осуществлять управление контекстом тремя способами: настройка экземпляра класса-исполнителя, настройка указателя на метод, переопределение виртуальных функций. Это приводит к интересным эффектам.

Пусть у нас будут объявления классов-исполнителей с наследованием, как показано в Листинг 12. Графически иерархия наследования изображена на Рис. 13.

Листинг 12. Классы-исполнители с наследованием

class Executor

{

public:

virtual void callbackHandler1(int eventID);

virtual void callbackHandler2(int eventID);

};

class Executor1: public Executor

{

public:

void callbackHandler1(int eventID) override;

};

class Executor2: public Executor

{

public:

void callbackHandler2(int eventID) override;

};

class Executor3: public Executor1, public Executor2

{

};

Рис. 13. Иерархия наследования классов-исполнителей

Итак, будем назначать различные указатели на экземпляры классов и методы-члены, как показано в Листинг 13.

Листинг 13. Настройка указателей на классы и методы

int main()

{

Initiator initiator;

Executor executor;

Executor1 executor1;

Executor2 executor2;

Executor3 executor3;

initiator.setup(&executor, &Executor::callbackHandler1); // (1)

initiator.setup(&executor, &Executor::callbackHandler2); // (2)

initiator.setup(&executor1, &Executor::callbackHandler1); // (3)

initiator.setup(&executor1, &Executor::callbackHandler2); // (4)

initiator.setup(&executor2, &Executor::callbackHandler1); // (5)

initiator.setup(&executor2, &Executor::callbackHandler2); // (6)

//initiator.setup(&executor3, &Executor::callbackHandler1); //Incorrect, base class is ambiguous // (7)

//initiator.setup(&executor3, &Executor::callbackHandler2); //Incorrect, base class is ambiguous // (8)

initiator.setup((Executor1*)&executor3, &Executor::callbackHandler1); // (9)

initiator.setup((Executor1*)&executor3, &Executor::callbackHandler2); // (10)

initiator.setup((Executor2*)&executor3, &Executor::callbackHandler1); // (11)

initiator.setup((Executor2*)&executor3, &Executor::callbackHandler2); // (12)

}

В строках 1 и 2 все прозрачно: какой метод назначен, такой и будет вызван.

В строке 3 мы назначаем указатель на метод Executor::callbackHandler1, но поскольку в классе Executor1 он переопределен, будет вызван метод Executor1::callbackHandler1.

В строке 4 мы назначаем указатель на Executor::callbackHandler2; в классе Executor1 такого метода нет (т.е. он не переопределен), поэтому будет вызван метод базового класса Executor::callbackHandler2.

В строке 5 мы назначаем указатель на Executor::callbackHandler1; в классе Executor2 метод не переопределен, поэтому будет вызван метод базового класса Executor::callbackHandler2.

В строке 6 мы назначаем указатель на Executor::callbackHandler2; в классе Executor2 он переопределен, поэтому будет вызван метод Executor2:: callbackHandler2.

С классом Executor3 ситуация еще интереснее, поскольку он использует множественное наследование⁶. Мы не можем напрямую назначать указатели на методы базового класса, как это приведено в строках 7 и 8, потому что если взглянуть на иерархию наследования, то можно увидеть, что к базовому классу можно добраться двумя путями — через Executor1 либо через Executor2. Таким образом, компилятор не знает, по какому пути выполнять поиск методов, и выдает ошибку. По указанной причине мы должны явно указать в цепочке наследования класс-предшественник. Если в пути наследования какая-нибудь функция окажется переопределена, то она будет вызвана, в противном случае будет вызвана функция базового класса.

В строке 9 мы в качестве предшественника указываем класс Executor1 и назначаем указатель на метод callbackHandler1. В Executor1 этот метод переопределен, и он будет вызван. В строке 10 мы назначаем указатель на метод callbackHandler2; в Executor1 этот метод не переопределен, поэтому будет вызван метод базового класса Executor::callbackHandler2. Если мы в качестве предшественника будем указывать Executor2, как это показано в строках 11 и 12, то получится все наоборот: в строке 11 будет вызван метод базового класса Executor:: callbackHandler1, а в строке 12 будет вызван соответствующий переопределенный метод Executor2::callbackHandler2.

Для наглядности сведем результаты в Табл. 3.

Табл. 3. Вызовы методов по цепочке наследования

Используя рассмотренные способы управления контекстом, можно реализовать довольно изощренную логику обработки и динамически ее изменять в процессе выполнения программы.

2.3.5. Синхронный вызов

Реализация инициатора для синхронного вызова представлена в Листинг 14. В отличие от асинхронного вызова, здесь аргументы не хранятся, а передаются как входные параметры функции.

Листинг 14. Инициатор для синхронного обратного вызова с указателем на метод-член класса

class Executor;

using ptr_method_callback_t = void(Executor::*)(int);

void run(Executor* ptrClientCallbackClass, ptr_method_callback_t ptrClientCallbackMethod)

{

int eventID = 0;

//Some actions

(ptrClientCallbackClass->*ptrClientCallbackMethod)(eventID);

}

2.3.6. Преимущества и недостатки

Преимущества и недостатки реализации обратных вызовов с помощью указателя на метод — член класса приведены в Табл. 4.

Табл. 4. Преимущества и недостатки реализации обратных вызовов с помощью указателя на метод-член класса

Гибкость. Управлять контекстом можно тремя способами, подобные возможности отсутствуют в других реализациях.

Отсутствие трансляции контекста. Контекст транслировать не нужно, метод-член имеет полный доступ к содержимому класса.

Сложность. Код получается довольно громоздким и запутанным.

Тип класса должен объявляться в инициаторе. Здесь достаточно только предварительного объявления класса. Полное объявление класса в инициаторе делать необязательно и даже нежелательно, потому что логически это обработчик обратного вызова, то есть он относится к исполнителю и должен быть в нем реализован. Тем не менее, требование предварительного объявления класса ограничивает независимость исполнителя: он может использовать только те типы классов, которые были предварительно объявлены в инициаторе.

Инициатор должен хранить указатель на метод и указатель на класс. Увеличивается расход памяти.

2.4. Функциональный объект

2.4.1. Концепция

С точки зрения C++ функциональный объект — это класс, который имеет перегруженный оператор вызова функции⁷.

Графическое изображение обратного вызова с помощью функционального объекта представлено на Рис. 14. Исполнитель реализуется в виде класса, код упаковывается в перегруженный оператор вызовы функции, в качестве контекста выступает экземпляр класса. При настройке экземпляр класса как аргумент сохраняется в инициаторе⁸. Инициатор осуществляет обратный вызов посредством вызова перегруженного оператора, передавая ему требуемую информацию. Контекст здесь передавать не нужно, поскольку внутри оператора доступно все содержимое класса.

Рис. 14. Реализация обратного вызова с помощью функционального объекта.

2.4.2. Инициатор

Предварительно необходимо объявить функциональный объект (см. Листинг 15), потому что его объявление должен видеть как инициатор, так и исполнитель.

Листинг 15.Объявление функционального объекта

class CallbackHandler

{

public:

void operator() (int eventID) //This is an overloaded operator

{

//It will be called by server

};

};

Реализация инициатора приведена в Листинг 16.

Листинг 16. Инициатор с функциональным объектом

class Initiator // (1)

{

public:

void setup(const CallbackHandler& callback) // (2)

{

callbackObject = callback;

}

void run() // (3)

{

int eventID = 0;

//Some actions

callbackObject(eventID); // (4)

}

private:

CallbackHandler callbackObject; // (5)

};

В строке 1 мы объявляется класс-инициатор. В строке 2 объявляется функция для настройки вызова, в которую передается ссылка на функциональный объект. Данный объект присваивается переменной-аргументу, объявленному в строке 5. В строке 3 объявлена функция запуска, внутри этой функции в строке 4 производится вызов перегруженного оператора. Как видим, синтаксис вызова перегруженного оператора совпадает с синтаксисом вызова обычной функции.

2.4.3. Исполнитель

Реализация исполнителя приведена в Листинг 17.

Листинг 17. Исполнитель с функциональным объектом

int main()

{

Initiator initiator; // (1)

CallbackHandler executor; // (2)

initiator.setup(executor); // (3)

initiator.run(); // (4)

}

В строке 1 объявляется переменная класса-инициатора, в строке 2 объявляется функциональный объект, в строке 3 производится настройка, в строке 4 — запуск.

2.4.4. Синхронный вызов

Реализация инициатора для синхронного вызова представлена в Листинг 18. В отличие от асинхронного вызова, здесь функциональный объект не сохраняется как аргумент, он передается через входные параметры функции.

Листинг 18. Инициатор для синхронного вызова с функциональным объектом

void run(CallbackHandler& callbackObject)

{

int eventID = 0;

//Some actions

callbackObject(eventID);

}

2.4.5. Преимущества и недостатки

Преимущества и недостатки реализации обратных вызовов с помощью функционального объекта приведены в Табл. 5.

Табл. 5. Преимущества и недостатки обратных вызовов с помощью функционального объекта

Простая реализация. Самая простая из всех рассмотренных. Необходима только одна переменная — экземпляр класса, весь контекст хранится внутри этого класса. Прозрачный и понятный синтаксис.

Безопасность. При настройке в инициаторе создается копия переданного функционального объекта. Исходный экземпляр становится ненужным, его можно безопасно удалить.

Отсутствие трансляции контекста. Код вызова хранится внутри перегруженного оператора, контекст инкапсулирован внутри класса вместе с кодом.

Общий функциональный объект. Инициатор и исполнитель связаны через единый функциональный объект, они оба должны видеть его объявление. Вся логика обработки реализуется внутри объекта. Это приводит к монолитной архитектуре, что сильно затрудняет модификацию поведения обработчика. По сути дела, исполнитель встраивается в инициатор и становится его составной частью⁹.

Невозможность реализации API. Следствие монолитной архитектуры: использование API предполагает возможность модификации поведения исполнителя без изменения кода инициатора. Поскольку они оба связаны через единый объект, выполнение указанного требования является нереализуемым.

Высокое быстродействие. А вот здесь недостатки монолитной архитектуры превращаются в достоинства. Дело в том, что поскольку инициатор сохраняет у себя объект, он имеет доступ к коду перегруженного оператора, т. е. к коду обработчика вызова. Как следствие, оптимизирующий компилятор получает возможность встроить код обработчика непосредственно в точку вызова, опуская вызов функции (перегруженный оператор тоже является функцией), что значительно ускоряет выполнение вызова. Рассмотрим этот момент подробнее.

2.4.6. Производительность

С точки зрения машинных команд, вызов функции — не слишком быстрая операция. Необходимо несколько команд для сохранения стека¹⁰; команда перехода к коду функции; команда возврата управления; несколько команд для восстановления стека. А если код тела функции небольшой, к примеру, всего лишь сравнение двух величин, то время, затраченное на вызов функции, может значительно превысить время выполнения кода функции.

Поясним сказанное на примере. Напишем маленькую простую программу, которая считывает из консоли два числа, складывает их и результат выводит на экран (Листинг 19).

Листинг 19. Маленькая простая программа

#include <iostream>

int Calculate(int a, int b)

{

return a + b;

}

int main()

{

int a, b;

std::cin >> a >> b;

int result = Calculate(a, b);

std::cout << result;

}

Откомпилируем код с выключенной оптимизацией и запустим на выполнение. Посмотрим дизассемблерный участок кода ¹¹, в котором производится вызов функции (Листинг 20):

Листинг 20. Дизассемблерный код с выключенной оптимизацией:

int Calculate(int a, int b)

{

00007FF6DA741005 and al,8 // 1

return a + b;

00007FF6DA741008 mov eax,dword ptr [b] // 2

00007FF6DA74100C mov ecx,dword ptr [a] // 3

00007FF6DA741010 add ecx,eax // 4

00007FF6DA741012 mov eax,ecx // 5

}

00007FF6DA741014 ret // 6

int main()

{

…….

int result = Calculate(a, b);

00007FF6DA741053 mov edx,dword ptr [b] // 7

00007FF6DA741057 mov ecx,dword ptr [a] // 8

00007FF6DA74105B call Calculate (07FF6DA741000h) // 9

00007FF6DA741060 mov dword ptr [result],eax // 10

…….

В строках 7 и 8 введенные значения a и b сохраняются в регистрах. В строке 9 выполняется вызов функции. В строке 1 выполняется обнуление результата, в строках 2 и 3 переданные значения копируются в регистры, в строке 4 выполняется сложение, в строке 5 результат копируется обратно в регистр, в строке 6 выполняется выход из функции, в строке 10 результат вычисления функции копируется в переменную результата.

Теперь включим оптимизацию, откомпилируем и посмотрим на код (Листинг 21):

Листинг 21. Дизассемблерный код с включенной оптимизацией

int main()

{

…….

int result = Calculate(a, b);

00007FF7D5B11033 mov edx,dword ptr [b]

00007FF7D5B11037 add edx,dword ptr [a]

Как видим, для вычислений у нас всего две операции: запись в регистр значения b и добавление к нему значения a. Код встроен в поток выполнения, вызов функции не производится. Ощутимая разница, не правда ли?

2.5. Лямбда-выражение

2.5.1. Концепция

Лямбда-выражение¹² — это локальная неименованная функция, которая, подобно обычной функции, может принимать входные параметры и возвращать результат. Особенностью лямбда-выражений, отличающих их от обычных функций, является возможность захвата переменных.

Графическое изображение обратного вызова с помощью лямбда-выражения представлено на Рис. 15. Исполнитель реализуется в виде какой-либо исполняемой функции, в качестве которой могут выступать глобальная функция, статический метод класса, метод-член класса, перегруженный оператор. Код обратного вызова упаковывается в лямбда-выражение, в качестве контекста выступают захваченные переменные. При настройке лямбда-выражение как аргумент сохраняется в инициаторе. Инициатор осуществляет обратный вызов посредством вызова хранимого выражения, передавая ему требуемую информацию. Контекст здесь передавать не нужно, поскольку внутри тела лямбда-выражения доступны все захваченные переменные.

Рис. 15. Реализация обратного вызова с помощью лямбда-выражения

2.5.2. Инициатор

Как хранить и передавать лямбда-выражение как аргумент? Если оно не захватывает переменные, то стандарт допускает неявное преобразование лямбда-выражения к указателю на функцию. В этом случае реализация инициатора полностью совпадает с рассмотренной в 2.1. Однако использование лямбда-выражений без захвата переменных не дает никакого преимущества по сравнению с обычной функцией, использовать их в таком виде не имеет смысла.

Другое дело, когда лямбда-выражение осуществляет захват переменных, в этом случае мы получаем мощный и гибкий инструмент управления контекстом. Однако использование таких выражений в качестве аргумента вызывает определенные сложности. Связано это с тем, что тип лямбда-выражения является анонимным. Как следствие, имя типа нам неизвестно, и мы не можем просто объявить переменную нужного типа и присвоить ей лямбда-выражение, как это происходит, например, с указателями или классами. Решается указанная проблема с помощью шаблонов, что будет рассмотрено позже в соответствующих главах. Забегая вперед, отметим, что для хранения лямбда-выражений можно объявлять шаблон с параметром — типом лямбда-выражения (п. 4.4.2) либо использовать специальные классы библиотеки STL (п. 4.6.1).

2.5.3. Исполнитель

Исполнитель реализовывается в виде лямбда-выражения, а передача его как аргумента инициатору зависит от способа реализации последнего. Если исполнитель реализован в виде шаблона класса (п. 4.4.2), лямбда-выражение должно присваиваться в конструкторе класса. В случае использования классов STL (п. 4.5.1) лямбда-выражение передается подобно любому другому аргументу. Подробно эти вопросы рассматриваются в разделе 4, посвященном использованию шаблонов.

2.5.4. Синхронный вызов

Инициатор для синхронного вызова с лямбда-выражением реализуется в виде шаблонной функции, параметром шаблона выступает тип аргумента. Подробно этот вопрос рассмотрен в п. 4.2.1.

2.5.5. Преимущества и недостатки

Преимущества и недостатки реализации обратных вызовов с помощью лямбда-выражения приведены в Табл. 6.

Табл. 6. Преимущества и недостатки обратных вызовов с помощью лямбда-выражения

Гибкое управление контекстом. Возможность захвата переменных предоставляет простые и удобные средства изменения контекста. Изменяя состав захваченных переменных, мы легко можем добавлять значения, необходимые для контекста, при этом нет необходимости изменять код инициатора. Захватив указатель this, мы получаем доступ к содержимому класса, т. е. фактически лямбда-выражение превращается в «метод внутри метода» (см. пример в Листинг 22). Элегантно, не правда ли?

Требует использования шаблонов. Использование шаблонов накладывает архитектурные ограничения на реализацию программных модулей. Это связанно с тем, что шаблоны не предполагают присутствие предварительно откомпилированного кода. Подробнее об этом мы будем говорить в соответствующей главе (4.7), посвященной ограничениям при использовании шаблонов.

Листинг 22. Лямбда-выражение с захватом указателя this

class EventCounter

{

public:

void AddEvent(unsigned int event)

{

callCounter_++;

lastEvent_ = event;

}

private:

unsigned int callCounter_ = 0;

int lastEvent_ = 0;

};

class Executor

{

public:

Executor(EventCounter* counter): counter_(counter)

{

auto lambda = [this](int eventID)

{

//It will be called by initiator

counter_->AddEvent(eventID);

processEvent(eventID);

};

//Setup lambda in initiator

}

private:

EventCounter* counter_;

void processEvent(int eventID) {/*Do something*/}

};

2.6. Итоги

В C++ обратные вызовы могут быть реализованы с помощью следующих конструкций:

• указатель на функцию;

• указатель на статический метод класса;

• указатель на метод-член класса;

• функциональный объект;

• лямбда-выражение.

Каждая реализация имеет свои достоинства и недостатки. Так какую все-таки выбрать? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо выполнить сравнительный анализ.

Примечания

2

Мы здесь (и в дальнейших листингах тоже) не будем разделять заголовочные файлы и файлы реализации: это всего лишь пример, а разделение загромождает описание и усложняет понимание.

3

Конечно же, описанные проблемы могут быть решены и в процедурном дизайне, но код при этом значительно усложняется. В общем-то, объектно-ориентированная парадигма и разрабатывалась как средство борьбы с возрастающей сложностью программного кода.

4

В качестве примера можно привести практику моделирования embedded-систем. В самом общем виде Embedded-системы представляют собой микроконтроллер, который встраивается в какое-либо устройство и выполняет функции управления, мониторинга и контроля. В силу определенных причин так сложилось, что ПО для управляющих контроллеров (такое ПО называют firmware) пишется на языке C. В процессе разработки подобных устройств часто используется моделирование, когда firmware запускается на обычном компьютере в имитационном окружении, а реальные аппаратные устройства заменяются их программными моделями. Модели и имитаторы обычно пишутся на языке C++, а firmware, как правило, написано на C — получается смешанный код.

5

Это необязательно делать в конструкторе, соответствующие операции можно выполнить после объявлений экземпляров инициатора и исполнителя в функции main. Однако инициализация в конструкторе представляется более удобной, потому что настройка вызова будет сделана сразу при объявлении экземпляра класса — исполнителя без дополнительных операций.

6

Вообще, множественное наследование — неоднозначный механизм, который часто подвергается критике. В большинстве современных языков (например, Java, C#, Ruby и др.) множественное наследование не поддерживается. Тем не менее, в C++ множественное наследование существует, поэтому необходимо рассмотреть и такой случай.

7

Другое название, которое встречается в литературе, — функтор.

8

В инициаторе хранится копия экземпляра класса. Не ссылка, не указатель, а именно копия. Из этого вытекает несколько важных следствий, которые будут рассмотрены далее.

9

Частично этот недостаток устраняется с помощью шаблонов, что будет рассматриваться в соответствующем разделе.

10

Количество таких команд зависит от количества входных параметров функции.

11

Этот код получен с помощью компилятора Microsoft Visual studio версии 19.23.28106.4. Другие компиляторы могут генерировать отличающийся код, но принцип останется прежним.

12

В литературе можно встретить термин «лямбда-функция», но в стандарте С++ он именуется как “lambda-expression”, что в переводе означает «лямбда-выражение».