Эффективный способ решения указанных проблем разработка драйвера, т. е. модуля, поддерживающего единый интерфейс вызовов для различных реализаций. Однако одно дело подать идею, а вот реализовать тут все гораздо сложнее: интерфейс должен быть универсальным и покрывать все возможные требования; необходимо разработать механизм для загрузки нужной реализации интерфейса; требуется каким-то образом связывать интерфейс и реализацию в итоге нам понадобится сервис поддержки драйверов. Для операционной системы это вполне оправдано, однако для микроконтроллера с его очень ограниченными ресурсами внедрение такого сервиса чревато потерей производительности как из-за большого объема кода, так и из-за дополнительного расхода памяти.
Можно предложить не такое универсальное, зато более простое и менее ресурсоемкое решение с помощью обратных вызовов(Рис. 3). Код опроса упаковывается в отдельный компонент. Перед началом работы происходит настройка, т. е. указанный код как аргумент сохраняется в рабочем коде контроллера. В нужный момент рабочий код делает обратный вызов, выполняет соответствующую функцию и получает требуемое значение. Если необходимо, в процессе работы можно изменять хранимый аргумент, изменяя, таким образом, код опроса датчиков.
Рис. 3. Опрос датчиков с помощью обратного вызова
1.2.2. Вычисления по запросу
Представим, что мы разрабатываем супербыстрый алгоритм сортировки, оптимизированный для работы на нашем многопроцессорном суперкомпьютере. Было потрачено массу усилий, реализовано много кода, и, наконец, алгоритм почти готов. Но вот незадача: мы не знаем заранее, что именно нам нужно сортировать. Сортировка чисел это самый простой случай, а что делать, если понадобится сортировать, допустим, структуры, содержащие записи из базы данных? Пусть в структуре содержатся сведения о сотрудниках фамилия, имя, отчество. Как реализовать сортировки по отдельным полям, по совокупности полей? Неужели придется дублировать код для каждого случая?
Простое и эффективное решение указанной проблемы представлено на Рис. 4. Код для сравнения полей упаковывается в отдельный компонент. Когда запускается алгоритм, этот компонент передается как аргумент. В требуемый момент времени алгоритм через указанный аргумент вызовет код сравнения, передавая элементы данных как параметры. Таким образом, можно реализовать различные правила сравнения и передавать их алгоритму без изменения рабочего кода.
Рис. 4. Результат вычисления с помощью обратного вызова
1.2.3. Перебор элементов
Представим, что мы разрабатываем модуль сетевого обмена. Как пользователю узнать, какие протоколы поддерживаются?
Самое простое решение получить количество поддерживаемых протоколов, а затем запрашивать их имена по порядковому номеру. Данный способ легко реализуем, если внутри модуля имена протоколов хранятся в массиве. А если имена нужно хранить в списке? Тогда задача усложняется: нужно сделать перебор элементов списка, чтобы получить нужное значение по порядковому номеру. А если имена должны храниться в виде двоичного дерева?
Возможное решение: разработать итератор специальный класс, который будет осуществлять навигацию по контейнеру. Такой подход реализован, к примеру, в стандартной библиотеке STL, где для каждого контейнера имеется соответствующий итератор. Недостаток этого решения проявляется в том, что мы ограничиваем сферу применения модуля, построенного таким образом: его использовать могут только те компоненты, которые способны интерпретировать вызовы методов C++. Кроме того, итератор привязан к типу используемого контейнера, и при его изменении приходится перекомпилировать все связанные компоненты.
А что, если реализовать итератор с помощью набора функций, без использования классов? Интерфейс получается довольно сложным: необходимы отдельные функции для создания итератора, запроса значений, уничтожения итератора; необходимо объявить тип данных для хранения итератора; необходимо предусмотреть уничтожение итератора в случае возникновения исключений.
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.