Обратные вызовы в C++

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.

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

};