Виталий Ткаченко Обратные вызовы в C++

Введение

Однажды со мной консультировался начинающий разработчик. Не помню точно, о чем шла речь (да это и не важно), но вопрос был в стиле «есть проблема – как ее решить?». Первой моей мыслью, которую я и озвучил, было – «сделай обратный вызов». Следующий, вполне ожидаемый, вопрос был «а как его реализовать?». Почти не думая, я ответил первое, что пришло в голову – «используй указатель на функцию». «Хорошо», сказал разработчик, «я почитаю про эти указатели». Через какое-то время он снова пришел с вопросом – «ну, что такое указатель на функцию, я понял, но как внутри функции узнать, какому классу предназначается вызов?» Так, слово за слово, вопрос за вопросом, и я вдруг начинаю осознавать, что вопросы совсем не такие уж простые, как вначале могло показаться, и что одно понятие тянет за собой другое, что есть множество альтернатив при выборе способа реализации, и что так сразу и не скажешь, какой из них лучше подходит именно для вот этого случая… Так и родилась идея книги, которую вы сейчас держите перед глазами.

Формат представления информации в виде книги имеет одно неоспоримое преимущество: здесь отсутствуют ограничения по объему. Появляется возможность изложить весь материал обстоятельно, подробно, в деталях, охватывая множество аспектов и нюансов. Это выгодно отличает книгу от других форматов, таких, как статьи, лекции, презентации и т. п. В них всегда приходится идти на компромиссы, выделяя главное и отбрасывая детали, которые, на первый взгляд, кажутся несущественными, но их наличие существенно облегчает освоение материала и избавляет читателя от необходимости самостоятельно искать ответы на вопросы, которые неизбежно возникают при изучении незнакомых предметов.

Сами по себе обратные вызовы является узкоспециализированной темой, однако при этом они охватывают ряд смежных концепций как в сфере использования языка программирования, так и в сфере архитектурно-проектных решений. В связи с этим, изучение обратных вызовов значительно повышает компетенции специалиста и обогащает его арсенал приемов и способов решения нетривиальных задач.

В первую очередь книга предназначена для разработчиков 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. Безусловно, не лишней она будет и для начинающих, но нужно быть готовым к тому, что для изучения материала придется приложить значительные усилия: рассматриваемые концепции являются достаточно сложными и предполагают хорошее знание синтаксиса C++, а также некоторый опыт в программировании. Надеюсь, опытные разработчики также найдут книгу полезной как в плане систематизации знаний, так и в плане новых идей и методов, которые можно использовать в практике разработки.

Структурно книга состоит из разделов, глав и параграфов. В первом разделе излагаются теоретические основы, даются определения и термины. Во втором разделе рассматриваются способы реализации обратных вызовов в языке C++. В третьем разделе проводится сравнительный анализ реализаций, вырабатываются рекомендации для выбора в конкретных случаях. В четвертом разделе рассматривается использование шаблонов – пожалуй, наиболее интересной концепции C++, активно развивающейся в новых стандартах. И в заключение, чтобы изложенный материал не показался совсем уж абстрактным и оторванным от жизни, в пятом разделе демонстрируется практическое использование обратных вызовов на примере проектирования программного компонента.

В книге иллюстрируется, как используются те или иные конструкции C++, но не раскрывается их сущность – предполагается, что читатель об этом осведомлен. Поэтому для успешного понимания материала необходимо ориентироваться в следующих темах:

• базовый синтаксис C++;

• классы и наследование, перегрузка операторов;

• лямбда-выражения и захват переменных;

• контейнеры стандартной библиотеки;

• семантика шаблонов C++;

• шаблоны с переменным числом параметров, частичная специализация шаблонов.

Теоретические положения проиллюстрированы многочисленными примерами, оформленными в виде листингов. После каждого листинга (за исключением совсем уж тривиальных случаев) идет пояснение, которое облегчает понимание кода. Примеры создавались, ориентируясь на стандарт C++ 17; некоторые из них используют специфические особенности указанного стандарта и не будут компилироваться в более ранних версиях. Исходные тексты всех примеров можно найти в https://github.com/tkachenko-vitaliy/Callbacks, там же указан адрес электронной почты для связи с автором.

Во втором издании исправлены некоторые опечатки, а также переработана глава 5.5, в которой представлены улучшенные технические решения, основываясь на новых возможностях стандарта C++ 17.

На этом вступительную часть можно считать оконченной, приступим теперь непосредственно к изучению обратных вызовов.

1. Теоретические основы обратных вызовов

1.1. Концепция обратных вызовов

1.1.1. Интуитивное определение

Представьте следующую ситуацию. Вам нужно совершить платеж в банке. Вы идете в банк, берете талон, дожидаетесь, пока вас пригласят, и совершаете платеж. Но ведь столько времени придется потратить, в банке всегда такие очереди… Есть вариант получше: попросить свою маму (или бабушку) зайти в банк и занять очередь. Когда очередь подойдет, мама (или бабушка) позвонит, и вам остается только прийти и сделать платеж. Если же вы в этот день сильно заняты, тогда можно оставить телефон друга, и он сделает платеж вместо вас.

Итак, результат один и тот же, но последовательность действий различная. В первом случае вы сами идете в банк, отстаиваете очередь и совершаете платеж, т. е. выполняете все необходимые операции. Во втором случае вы сидите и ожидаете, когда вам позвонят, т. е. сделают вызов, и делаете только одно действие, а именно – совершаете платеж. Либо это делает ваш друг, если маме (или бабушке) дали его, а не ваши контакты. Можно утверждать, что ваша мама (или бабушка) инициировала, а вы выполнили обратный вызов.

1.1.2. Обратный вызов как паттерн

Перейдем теперь на язык программирования и дадим формальное определение.

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 требуемый момент времени.

Возвращаясь к неформальному примеру: здесь выполнение платежа можно считать исполняемым кодом, номер телефона – аргументом,