Виталий Ткаченко - Обратные вызовы в C++

Рис. 5. Просмотр элементов с помощью обратных вызовов

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.

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.

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

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.