Обратные вызовы в C++

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