C++实现委托，事件原理讲解

摘要: 介绍了事件委托机制的需求，各种解决方案的演变，最终提出模板化的事件委托机制，并给出较详细的进化过程和原理说明。
关键词: C++，委托，委托器，事件器，模板
第一章 基础版实现
在平时的工作中，我们经常会遇到以下情况
void Do(int event_id)
{
     …
}
void OnEvent(int event_id)
{
     Do(event_id);
}
下面是成员函数版本
class A
{
public:
     void Do(int event_id)
     {
         …
     }
};
class B
{
public:
     void OnEvent(int event_id)
     {
         a.Do(event_id);
     }
private:
     A    a;
};
 (这里a或者是B的成员，或者是全局变量，或者通过OnEvent函数传递进来)
以上是一般情况，当B的OnEvent还需要调用另外的函数或者其他对象的函数时，就不得不对OnEvent函数作出改动，当然如果A的类型改变了，也要做相应改动，变成
void OnEvent(int event_id)
{
     c.Run(event_id);
}
或者
void OnEvent(int event_id)
{
     a.Do(event_id);
     c.Run(event_id);
     …
}
由于需求的多变性，导致OnEvent函数面对不同的情况有不同的实现，类B的复用性大大降低。我们知道GUI是接收事件并作出处理的一个典型例子，如果按照以上方法，则每一种控件都需要被继承，重载OnEvent函数，用以对应不同的事件响应，是一件很可怕的任务，
:（
第二章 多态版实现
2.1 单任务的实现
C++提供了多态机制，我们可以使用类的虚函数改善以上的问题。
（在C中可以使用函数指针的方法，其本质是相同的，这个就由读者自己发挥了）
class EventCallerBase
{
public:
     // 基类使用纯虚函数，派生类必须实现
     virtual void Do(int event_id) = 0;
};
class Receiver
{
public:
     void SetEventCaller(EventCallerBase* pCaller) { m_pCaller = pCaller; }
     void OnEvent(int event_id)
     {
         if (m_pCaller)
              m_pCaller->Do(event_id);
     }
private:
     EventCallerBase* m_pCaller;
};
class EventCallerA : public EventCallerBase
{
public:
     virtual void Do(int event_id)
     {
         printf("EventCallerA do event %d. ", event_id);
     }
};
void main()
{
     EventCallerA caller;
     Receiver receiver;
     receiver.SetEventCaller(&caller);
     …
     receiver.OnEvent(99);
}
输出：EventCallerA do event 99.
2.2 多任务的实现
对于需要对多个对象调用其函数的情况，用以下方式
EventCallerBase，EventCallerA的实现同上
class EventCallerB : public EventCallerBase
{
public:
     virtual void Do(int event_id)
     {
         printf("EventCallerB do event %d. ", event_id);
     }
};
class Receiver
{
public:
     void AddEventCaller(EventCallerBase* pCaller)
     {
         if (pCaller)
              m_CallerList.push_back(pCaller);
     }
     void OnEvent(int event_id)
     {
         list<EventCallerBase*>::iterator it = m_CallerList.begin();
         while (it != m_CallerList.end())
         {
              EventCallerBase* pCaller = *it;
              if (pCaller)
                   pCaller->Do(event_id);
              ++it;
         }
     }
private:
     list<EventCallerBase*> m_CallerList;
};
void main()
{
     EventCallerA callerA; 
     EventCallerB callerB;
     Receiver receiver;
     receiver.AddEventCaller(&callerA);
     receiver.AddEventCaller(&callerB);
     …
     receiver.OnEvent(99);
}
输出：EventCallerA do event 99.
      EventCallerB do event 99.
在以上方法中，类Receiver基本做到了重用，除了OnEvent参数类型和个数的改变，一般情况下，当有事件发生，调用不同的事件处理函数时，只要继承EventCallerBase类，实现Do函数，并在初始阶段设定AddEventCaller即可。这种方法在GUI中，已经能尽可能地重用发生事件部分的类和代码，把主要工作放在实现事件响应的处理上。
2.3 对已有类的改造
这里有个问题，如果有一个需求，比如窗口最大化，需要调用成员函数System::Maximize()，怎么办？类System是一个既有类，不能随便改动，来继承EventCallerBase。上面的方法岂不是不实用？
小小地动动脑筋，方法是有的：
class System
{ 
public:
     void Maximize(void)   { printf("Window is maximized. "); }
};
class EventCallerSystem : public EventCallerBase
{
public:
     EventCallerSystem(System* pSystem) { m_pSystem = pSystem; }
     virtual void Do(int event_id)
     {
         if (m_pSystem)
              m_pSystem->Maximize()
     }
private:
     System* m_pSystem;
};
void main()
{
     System system;
     EventCallerSystem callerSystem(&system);
     Receiver receiver;
     receiver.AddEventCaller(&callerSystem);
     …
     receiver.OnEvent(99);
}
输出：Window is maximized.
解决了问题，还留了一个小尾巴，就是要多实现一个EventCallerSystem类。
有没有办法把这个小尾巴也一并解决掉呢，这就到了这篇文章的主题――C++中的事件委托机制，这次我们用到了C++的另一个特性---模板。
第三章 事件委托版实现
3.1 函数指针的使用
我们首先复习一下函数指针和成员函数指针。
3.1.1 函数指针
在C和C++语言中，一个命名为my_func_ptr的函数指针指向以一个int和一个char*为参数的函数，这个函数返回一个浮点值，声明如下：
float (*my_func_ptr)(int, char *);
为了便于理解，一般我们使用typedef关键字。
typedef float (*MyFuncPtrType)(int, char *);
如果你的函数指针指向一个型如float some_func(int, char *)的函数，这样做就可以了：
MyFuncPtrType my_func_ptr = some_func;
当你想调用它所指向的函数时，可以这样写：
(*my_func_ptr)(7, "HelloWorld");
或者
my_func_ptr(7, "HelloWorld");
3.1.2 成员函数指针
在C++程序中，很多函数是成员函数，即这些函数是某个类中的一部分。你不可以像一个普通的函数指针那样指向一个成员函数，正确的做法应该是，你必须使用一个成员函数指针。一个成员函数的指针指向类中的一个成员函数，并有相同的参数，声明如下：
float (SomeClass::*my_memfunc_ptr)(int, char *);
将函数指针指向型如float SomeClass::some_member_func(int, char *)的函数，可以这样写：
    my_memfunc_ptr = &SomeClass::some_member_func;
当你想调用它所指向的成员函数时，可以这样写：
SomeClass* x = new SomeClass;
(x->*my_memfunc_ptr)(6, "HelloWorld");
3.2 函数指针的大小
class A
{
public:
     int Afunc() { return 2; };
};
class B
{
public:
     int Bfunc() { return 3; };
};
class D: public A, public B
{
public:
     int Dfunc() { return 5; };
};
int main()
{
     printf("%d ", sizeof(&main));
     printf("%d ", sizeof(&A::Afunc));
     printf("%d ", sizeof(&B::Bfunc));
     printf("%d ", sizeof(&D::Dfunc));
     return 0;
}
输出：
4
4
4
8
可以看出，普通函数的指针大小是4，
普通类的成员函数的指针大小也是4，
对于多重继承的类，成员函数的指针大小是8，
还有成员函数指针大小是12和16的情况，在这里就不展开了。
（需要特别注意的是，相同的代码，在不同的编译器下，函数指针的大小也不相同）。
对函数指针和成员函数指针的复习就到这里。
3.3 C++中的事件委托
以下登场的是本文的主角：模板化实现的C++中的事件委托
3.3.1代码
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
/// class FuncCache
/// rief 函数对象寄存器
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
template <typename ReturnType>
class FuncCache
{
     static const int SIZE = 48;
     typedef ReturnType (*func_caller)(FuncCache*);
     /// class MemberFuncAssist
     /// rief 对象成员函数寄存器的辅助器
     class FuncCacheAssist
     {
     public:
         /// rief 构造函数，初始化。
         FuncCacheAssist(FuncCache* pFunc)
         {
              m_Size = 0;
              m_pFunc = pFunc;
              // 读取用偏移必须归位
              m_pFunc->m_Cur = 0;
         }
         /// rief 析构函数。
         ~FuncCacheAssist(void)
         {
              // 弹出以前压入的参数
              if (m_Size > 0)
                   m_pFunc->Pop(m_Size);
         }
         /// rief 压入指定大小的数据。
         uint Push(const void* pData, uint size)
         {
              m_Size += size;
              return m_pFunc->Push(pData, size);
         }
         /// 压入参数的大小
         int                m_Size;
         /// 对象成员函数寄存器
         FuncCache*         m_pFunc;
     };
public:
     /// rief 构造函数，初始化。
     FuncCache(func_caller func)
     {
         m_Size = 0;
         m_Cur = 0;
         m_Func = func;
     }
     /// rief 压入指定大小的数据。
     uint     Push(const void* pData, uint size)
     {
         size = (size <= SIZE - m_Size)? size : (SIZE - m_Size);
         memcpy(m_Buffer + m_Size, pData, size);
         m_Size += size;
         return size;
     }
     /// rief 弹出指定大小的数据。
     uint      Pop(uint size)
     {
         size = (size < m_Size)? size : m_Size;
         m_Size -= size;
         return size;
     }
     /// rief 读取指定大小的数据，返回指针。
     void*         Read(uint size)
     {
         m_Cur += size;
         return (m_Buffer + m_Cur - size);
     }
     /// rief 执行一个参数的函数。
     ReturnType    Execute(const void* pData)
     {
         // 用辅助结构控制
         FuncCacheAssist assist(this);
         // 压入参数
         assist.Push(&pData, sizeof(void*));
         // 执行函数
         return m_Func(this);
     }
protected:
     /// 对象，函数，参数指针的缓冲区
     uchar         m_Buffer[SIZE];
     /// 缓冲区大小
     uint          m_Size;
     /// 缓冲区读取用的偏移
     uint          m_Cur;
     /// 操作函数的指针
     func_caller   m_Func;
};
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
/// class MFuncCall_1
/// rief 一个参数的成员函数执行体
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
template <typename ReturnType, typename Caller, typename Func, typename ParamType>
class MFuncCall_1
{
public:
     /// rief 执行一个参数的成员函数。
     static ReturnType MFuncCall(FuncCache<ReturnType>* pMFunc)
     {
         // 获得对象指针
         Caller* pCaller = *(Caller**)pMFunc->Read(sizeof(Caller*));
         // 获得成员函数指针
         Func func = *(Func*)pMFunc->Read(sizeof(Func));
         // 获得参数的指针
         ParamType* pData = *(ParamType**)pMFunc->Read(sizeof(ParamType*));
         // 执行成员函数
         return (pCaller->*func)(*pData);
     }
};
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
/// class L_SignalRoot
/// rief 类型检查严格的事件委托器基类
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
template <typename ReturnType>
class L_SignalRoot
{
public:
     /// rief 指定事件名，卸载指定对象的事件委托器。
     template <typename Caller>
     void     MFuncUnregister(Caller* pCaller)
     {
         func_map& func_list = m_MemberFuncMap;
         func_map::iterator it = func_list.find(pCaller);
         if (it != func_list.end())
              func_list.erase(it);
     }
     /// rief 清空所有事件委托器。
     void     MFuncClear(void)
     {
         m_MemberFuncMap.clear();
     }
protected:
     typedef map< void*, FuncCache<ReturnType> > func_map;
     /// 事件名和绑定的事件委托器的列表
     func_map m_MemberFuncMap;
};
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
/// class L_Signal_1
/// rief 类型检查严格，一个参数的事件委托器
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
template <typename ReturnType, typename ParamType>
class L_Signal_1 : public L_SignalRoot<ReturnType>
{
public:
     /// rief 指定事件名，注册对应的一个参数的事件委托器。
     template <typename Caller, typename Func>
     void     MFuncRegister(Caller* pCaller, Func func)
     {
         // 指定专门处理一个参数的函数执行体
         FuncCache<ReturnType> mfunc(MFuncCall_1<ReturnType, Caller, Func, ParamType>::MFuncCall);
         // 压入对象和函数
         mfunc.Push(&pCaller, sizeof(Caller*));
         mfunc.Push(&func, sizeof(Func));
         // 添加到事件委托器列表
         m_MemberFuncMap.insert(make_pair(pCaller, mfunc));
     }
     /// rief 指定事件名，调用其对应的一个参数的事件委托器。
     ReturnType    MFuncCall(const ParamType& data)
     { 
         // 清空返回值
         ReturnType result;
         memset(&result, 0, sizeof(result));
         // 对于所有委托器，调用注册的函数
         func_map::iterator it = m_MemberFuncMap.begin();
         while (it != m_MemberFuncMap.end())
         {
              result = it->second.Execute(&data);
              ++it;
         }
         return result;
     }
};
class EventCallerA
{
public:
     bool Do(int event_id)
     {
         printf("EventCallerA do event %d. ", event_id);
         return true;
     }
};
class EventCallerB
{
public:
     bool Run(int event_id)
     {
         printf("EventCallerB run event %d. ", event_id);
         return true;
     }
};
void main()
{
     // 申明返回值是bool类型，参数是int类型，单参数的事件器
     L_Signal_1<bool, int> signal;
     EventCallerA callerA; 
     EventCallerB callerB;
// 注册委托器并调用事件
     signal.MFuncRegister(&callerA, &EventCallerA::Do); 
     signal.MFuncRegister(&callerB, &EventCallerB::Run);
     signal.MFuncCall(1);
}
注意这里EventCallerA和EventCallerB并没有相同的基类。
3.3.2 名词定义
先定义一些概念，便于我们统一理解
事件器：指发生事件后，处理事件的响应，逐个通知事先注册的对象。
委托器：指某事件发生后，需要被通知，并执行事先注册的函数的对象。
3.3.3 需求
再谈谈我们的需求：
1.     某个事件发生后，能通知到所有事先注册过的委托器。
2.     委托器的类型可能千差万别。
3.     加入参数使这个机制更灵活，应对每次不同的事件参数，支持1个，2个，甚至更多的参数。
4.     参数的类型也不希望有限制。
5.     委托器有执行结果，可以被事件器获取。
6.     委托器销毁的时候，需要通知事件器，将其从委托器列表中排除。
3.3.4 限制
最后谈谈可以有的限制
1.     针对同一个事件，委托器的函数参数类型应该是相同的，顺序也相同，因为事件的参数类型是不变的，否则可以分解为两个事件。由事件起始，通知委托器，如果参数类型各不相同，没有意义。
2.     函数参数过多也没有意义，因为我们知道，多个参数的需求可以用类或者结构体代替，以减少参数个数。
3.     大多数情况下，我们只需要知道最后一个委托器的执行结果。
3.3.5 解决方法
怎么办？抽象！
如何抽象？？往二进制层面抽象！！
当我们要统一处理一些需求的时候，我们只有把需求看成相同的类型和格式。
说到底，对象只是内存中的一块数据，而函数也是内存中的一段数据，我们可以用内存地址的方式来统一表示它们。
3.3.6 代码解析
模板类FuncCache 就是为了实现这一级的抽象而存在，以下对FuncCache做必要解析：
FuncCache::m_Buffer用来存储对象的指针，成员函数的指针，以及函数参数的指针，暂定大小为固定48字节，其中对象指针4字节，成员函数指针4到16字节不等，参数指针每个为4字节，可以有多个。
FuncCache::m_Size表示目前用到了多少字节的数据。
FuncCache::m_Cur表示用来从头依次读取对象指针，成员函数指针和参数指针的数据偏移量。
FuncCache::m_Func很关键，因为以上都是数据，光有材料还要明确如何处理，其就承担了这个重要的任务，类型是typedef ReturnType (*func_caller)(FuncCache*)，对于同种ReturnType，其类型是固定的，这是很关键的一步，完成了从不同类型的对象，不同类型的函数以及参数（有条件的）到一致的对象之间的抽象。
FuncCache的各个函数很简单，不做详细说明了，值得一提的是其内部类FuncCacheAssist，这个内部类存在的主要价值是在Execute退出的时候，将压入的参数排除。
接下来解析模板类MFuncCall_1
这里只是列了对于一个参数的函数委托器的实现，无参数、多参数的实现类似，请读者自行发挥。
该模板类很简单，只有一个函数，但是提供了很灵活的功能，返回类型，对象类型，成员函数类型，参数类型，全部可以自定义的，也只有通过模板类才能实现所需要的功能，具体函数算法很简单，就不展开了。
最后是模板类L_SignalRoot和L_Signal_1，也就是事件器。
ReturnType是模板化的返回类型，ParamType是模板化的单参数类型。
该类只有一个变量m_MemberFuncMap，用来保存所有的委托器的抽象，也就是FuncCache。
该类提供了四个接口，也是对于使用者最常使用的：
1.       MFuncRegister  注册委托器对象和函数
2.       MFuncCall       调用所有注册的委托器，并返回最后调用的结果。
3.       MFuncUnregister 根据对象指针，删除注册过的委托器，委托器在事件器之前销毁的话，             必须调用这个接口，这点没有做成自动的，主要为了减少类的复杂度。
4.       MFuncClear      清空所有委托器。
给用户的接口很简单明了易于使用。