[C++]实现委托模型
我对.Net的委托模型印象很深刻,使用委托,可以快速实现观察者模式,免去写很多繁杂重复的代码。遗憾的是,C++并没有提供这样的模型,为了达到相似的目的,需要继承一个类并重写virtual方法,这种做法需要写很多代码,效率比较低下(使用过MFC的应该都能体会到)。然而,在强大的C++面前,没有什么是不可能的,已经有很多人针对这个问题进行过研究,并且实现了各种委托模型,其中最著名的就是FastDelegate,这个模型在《Member Function Pointers and the Fastest Possible C++ Delegates》中提出(原文地址:http://www.codeproject.com/KB/cpp/FastDelegate.aspx)。这个模型的特点就是“Fast”,因此不可避免地要依赖编译器的具体实现,虽然文章的最后说明该模型已在大部分的编译器上通过了测试,我仍然对此不太放心,要是哪个编译器升级后改变了实现方式,这个模型就不适合使用了。而且,由于自身水平有限以及懒惰的心理,我也不想去深究每种编译器的具体实现方式。我想要的是符合C++标准,与编译器无关的模型,而不管它是否“Fast”。经过不断的摸索,终于写出了这样的一个委托模型,下面与大家分享一下该模型的实现原理。(当然,如果你认为FastDelegate已经满足需求,而且不担心它依赖于编译器,那么完全可以忽略本文)
成员函数指针的操作
在开始之前首先介绍一下成员函数指针,它与非成员函数指针的操作方式有很大的不同。有这么一个类:
class A { public: void Func(int) { … } };
要取得Func函数的指针,必须这么做:
void (A::*pFunc)(int) = &A::Func;
::*是一个特殊的操作符,表示pFunc是一个指针,指向A的成员函数。获取成员函数的地址不能通过类对象来获取,必须像上面的那样,通过类名获取,而且要加上取地址操作符(&)。
那么如何通过成员函数指针来调用该函数呢?成员函数都有一个隐含的this参数,表示函数要操作的对象,现在我们只获取到了函数的指针,还缺少一个对象作为this参数。为了达到这个目的,需要先创建一个对象,然后通过该对象来调用成员函数指针:
A a; (a.*pFunc)(10); A* pa = &a; (pa->*pFunc)(11);
第一种方式是通过对象本身来调用,第二种方式是通过对象指针来调用,两种方式的效果都是一样的。.*和->*都是特殊的操作符,不必纠结于它们奇怪的样子,只要知道它们只用于调用成员函数指针就行了。
第一步:使用类模板
通过上面的介绍,我们知道了要调用一个成员函数,仅仅有成员函数指针是不够的,还需要一个对象指针,所以要用一个类将两者绑到一起。由于对象的类型是无穷多的,所以这里必须使用类模板:
template<typename T> class DelegateHandler { public: DelegateHandler(T* pT, void (T::*pFunc)(int)) : m_pT(pT), m_pFunc(pFunc) { } void Invoke(int value) { (m_pT->*m_pFunc)(value); } private: T* m_pT; void (T::*m_pFunc)(int); };
可以像下面那样使用该模板:
A a; DelegateHandler<A> ah(&a, &A::Func); ah.Invoke(3); B b; DelegateHandler<B> bh(&b, &B::Method); //B::Method的声明与A::Func一致 bh.Invoke(4);
到这里产生了一个问题:如果希望调用的目标是非成员函数,怎么办?上面的类模板无法调用非成员函数,不过使用模板偏特化就可以解决这个问题:
template<> class DelegateHandler<void> { public: DelegateHandler(void (*pFunc)(int)) : m_pFunc(pFunc) { } void Invoke(int value) { (*m_pFunc)(value); } private: void (*m_pFunc)(int); };
使用方法也是一样的:
DelegateHandler<void> h(NonmemberFunc); // void NonmemberFunc(int); h.Invoke(5);
也许你会有疑问:非成员函数不需要将函数指针和对象指针绑到一起,为什么这里还要用一个类来包装函数指针?看了下面的内容自然会明白了。
第二步:使用多态
对于单目标的委托来说,使用上面的代码或许就已经足够了。但是我的目的当然不止于此,我想要的是多目标的委托。多目标委托其实就是一个容器,在这个容器里可以存放多个对象,当调用委托的时候依次调用每个对象。容器里的对象应该都是相同的类型,这样才能够放到强类型的容器中;而且委托调用方不应该知道具体的调用目标是什么,所以这些对象也应该要隐藏具体的细节。遗憾的是,上一步中实现的类模板都不具备这些能力,DelegateHandler<A>和DelegateHandler<B>是不同的类型,不能放到同一个容器中,调用方要调用它们也必须知道调用的目标是什么类型。
解决这个问题的方法就是使用多态,令所有的委托目标类都继承一个公共的接口,调用方只通过这个接口来进行调用,这样就不必知道每个目标具体的类型。下面就是该接口的定义:
class IDelegateHandler { public: virtual ~IDelegateHandler() { } virtual void Invoke(int) = 0; };
然后令DelegateHandler继承该接口:
template<typename T> class DelegateHandler : public IDelegateHandler { … } template<> class DelegateHandler<void> : public IdelegateHandler { … }
现在可以将各种类型的DelegateHandler放到同一个容器中,并使用同样的方式来调用了:
A a; B b; DelegateHandler<A> ah(&a, &A::Func); DelegateHandler<B> bh(&b, &B::Method); DelegateHandler<void> vh(NonmemberFunc); std::vector<IDelegateHandler*> handlers; handlers.push_back(&ah); handlers.push_back(&bh); handlers.push_back(&vh); for (auto it = handlers.cbegin(); it != handlers.cend(); ++it) { (*it)->Invoke(7); }
第三步:使用宏
不知道你注意到没有,上面写了那么多代码,只是为了实现一个返回值为void,有一个int参数的委托!如果要实现更多类型的委托,上面的代码就要重复很多次了。幸好,C++有宏这个东西,使用它可以帮助我们快速生成大量代码。然而这个宏的定义可不是那么简单,为了它我费了好大周折。下面开始讲述这个探索的过程,如果不想看我啰嗦,可以直接跳到后面看现成的代码。
我们都知道,函数参数的声明可以只有类型而没有名称,但是为了在函数内使用参数,该参数必须有名称。例如:
void Invoke(int) { //不能使用参数 } void Invoke(int value) { //可以通过value这个名称来使用参数 }
另外,调用函数的时候只能使用名称,不能带有类型:
int value = 10; Invoke(value);
这些问题似乎都显而易见,根本不值一提,但这些就是定义宏的关键。一开始我想象宏的使用应该是这样的:
DELEGATE(void, DelegateHandler, int, int);
毫无疑问,在它的定义中,从第三个参数开始应该使用可变参数,像这样(只截取了定义的一部分):
#define DELEGATE(retType, name, …) \ … retType Invoke(__VA_ARGS__) { \ return (*m_pFunc)(__VA_ARGS__); \ } \ …
展开后的代码是这样的:
… void Invoke(int, int) { return (*m_pFunc)(int, int); } …
这样很明显是错误的,即使在定义委托的时候加上参数名称也不行。问题的原因是函数参数的声明方式与调用方式不同,而且我们不能将__VA_ARGS__拆开来处理,我们没办法为参数添加名称,也不能去掉参数的名称。
既然如此,我们就使用两个__VA_ARGS__,一个用于函数参数的声明,一个用于调用。以上面的为例,第一个__VA_ARGS__应该是这样子:
int a, int b
第二个__VA_ARGS__应该是这样子:
a, b
宏展开之后应该是这样子:
… void Invoke(int a, int b) { return (*m_pFunc)(a, b); } …
这样就正确了。可是这样又带来了一个新问题:一个宏里只能使用一个可变参数。解决方法是,使用另外的宏来产生这两个__VA_ARGS__!好了,我不再说废话了,直接给出代码来,代码比我的表达能力更强。
#define DECLARE_PARAMS(...) __VA_ARGS__ #define DECLARE_ARGS(...) __VA_ARGS__ //0个参数的委托 #define DELEGATE0(retType, name) \ DECLARE_DELEGATE(retType, name, DECLARE_PARAMS(void), ) //1个参数的委托 #define DELEGATE1(retType, name, p1) \ DECLARE_DELEGATE( \ retType, \ name, \ DECLARE_PARAMS(p1 a), \ DECLARE_ARGS(a)) //2个参数的委托 #define DELEGATE2(retType, name, p1, p2) \ DECLARE_DELEGATE( \ retType, \ name, \ DECLARE_PARAMS(p1 a, p2 b), \ DECLARE_ARGS(a, b)) //3个参数的委托 #define DELEGATE3(retType, name, p1, p2, p3) \ DECLARE_DELEGATE( \ retType, \ name, \ DECLARE_PARAMS(p1 a, p2 b, p3 c), \ DECLARE_ARGS(a, b, c)) //4个参数的委托 #define DELEGATE4(retType, name, p1, p2, p3, p4) \ DECLARE_DELEGATE( \ retType, \ name, \ DECLARE_PARAMS(p1 a, p2 b, p3 c, p4 d), \ DECLARE_ARGS(a, b, c, d)) //5个参数的委托 #define DELEGATE5(retType, name, p1, p2, p3, p4, p5) \ DECLARE_DELEGATE( \ retType, \ name, \ DECLARE_PARAMS(p1 a, p2 b, p3 c, p4 d, p5 e), \ DECLARE_ARGS(a, b, c, d, e)) //6个参数的委托 #define DELEGATE6(retType, name, p1, p2, p3, p4, p5, p6) \ DECLARE_DELEGATE( \ retType, \ name, \ DECLARE_PARAMS(p1 a, p2 b, p3 c, p4 d, p5 e, p6 f), \ DECLARE_ARGS(a, b, c, d, e, f)) //7个参数的委托 #define DELEGATE7(retType, name, p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7) \ DECLARE_DELEGATE( \ retType, \ name, \ DECLARE_PARAMS(p1 a, p2 b, p3 c, p4 d, p5 e, p6 f, p7 g), \ DECLARE_ARGS(a, b, c, d, e, f, g)) //8个参数的委托 #define DELEGATE8(retType, name, p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7, p8) \ DECLARE_DELEGATE( \ retType, \ name, \ DECLARE_PARAMS(p1 a, p2 b, p3 c, p4 d, p5 e, p6 f, p7 g, p8 h), \ DECLARE_ARGS(a, b, c, d, e, f, g, h)) #define DECLARE_DELEGATE(retType, name, params, args) \ class I##name { \ public: \ virtual ~I##name() { } \ virtual retType Invoke(params) = 0; \ }; \ template<typename T> \ class name : public I##name { \ public: \ name(T* pType, retType (T::*pFunc)(params)) \ : m_pType(pType), m_pFunc(pFunc) { } \ retType Invoke(params) { \ return (m_pType->*m_pFunc)(args); \ } \ private: \ T* m_pType; retType (T::*m_pFunc)(params); \ }; \ template<> \ class name<void> : public I##name { \ public: \ name(retType (*pFunc)(params)) \ : m_pFunc(pFunc) { } \ retType Invoke(params) { \ return (*m_pFunc)(args); \ } \ private: \ retType (*m_pFunc)(params); \ }
注意最后面少了一个分号,这是故意为之的,为了强迫在定义委托的时候加上分号。这种宏定义的方法对参数个数有了限制,我这里的定义最多只支持8个参数,为了支持更多参数,需要写更多的代码。其实我认为8个参数已经足够了,超过8个参数的函数不是好的设计,应该重新考虑一下。
作者:Zplutor
出处:http://www.cnblogs.com/zplutor/
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