[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。