Читать книгу Обратные вызовы в C++ - Виталий Евгеньевич Ткаченко - Страница 7

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 = ptrCallback;

   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: изменение 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)

}

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

}

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 = NULL)

{

      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++, та 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

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.