回调设计模式
0. 引言
使用过SDK的朋友应该知道“回调函数”（callback function）这个概念，但本文并不是介绍如何使用回调函数，而是站在SDK开发者的角度，讲述如何实现回调机制。
1. 何为回调(callback)
所谓回调，就是客户程序C调用服务程序S中的某个函数A，然后S又在某个时候反过来调用C中的某个函数B，对于C来说，这个B便叫做回调函数。例如Win32下的窗口过程函数就是一个典型的回调函数。
一般说来，C不会自己调用B，C提供B的目的就是让S来调用它，而且是C不得不提供。由于S并不知道C提供的B叫甚名谁，所以S会约定B的接口规范（函数原型），然后由C提前通过S的一个函数R告诉S自己将要使用B函数，这个过程称为回调函数的注册，R称为注册函数。
下面举个通俗的例子：
某天，我打电话向你请教问题，当然是个难题，:)，你一时想不出解决方法，我又不能拿着电话在那里傻等，于是我们约定：等你想出办法后打手机通知我，这样，我就挂掉电话办其它事情去了。过了XX分钟，我的手机响了，你兴高采烈的说问题已经搞定，应该如此这般处理。故事到此结束。
这个例子说明了“异步+回调”的编程模式。其中，你后来打手机告诉我结果便是一个“回调”过程；我的手机号码必须在以前告诉你，这便是注册回调函数；我的手机号码应该有效并且手机能够接收到你的呼叫，这是回调函数必须符合接口规范。
2. 什么情况下使用回调
如果你是SDK的使用者，一旦别人制定了回调机制，那么你被迫得使用回调函数，因此这个问题只对SDK设计者有意义。从引入的目的看，回调大致分为三种：
2) SDK的执行需要应用程序的参与，比如SDK需要你提供一种排序算法；
3) SDK的操作比较费时，但又不能让应用程序阻塞在那里，于是采用异步方式，让调用函数及时返回，SDK另起线程在后台执行操作，待操作完成后再将结果通知应用程序。
经上面这样一总结，你也许会恍然大悟：原来“回调机制”无处不在啊！
是的，不光是Win32 API编程中你会用到，也不光是其它SDK编程中会用到，平时我们自己编写程序时也可能用到回调机制，这时，我们既是回调的设计者又是回调的使用者。
3. 传统SDK回调函数设计模式
Win32 SDK是这方面的典型例子，这类SDK的函数接口都是基于C语言的，SDK或者提供专门的注册函数，用于注册回调函数的地址，或者是在调用某个方法时才传入回调函数的地址，回调函数的原型也由于注册函数中的函数指针定义而受到约束。
以Win32中的多媒体定时器函数为例，其原型为：
UINT uDelay, // 定时器时间间隔，以毫秒为单位
UINT uResolution,
LPTIMECALLBACK lpTimeProc, // 回调函数地址
DWORD dwUser, // 用户设定的数据
UINT fuEvent
);
其中第三个参数便是用于注册回调函数的，第四个参数用于设定用户自定义数据，其作用将在后文说明，LPTIMECALLBACK的定义为：
typedef TIMECALLBACK FAR *LPTIMECALLBACK;
因此，用户定义的回调函数必须具有上面指定的函数原型，下面是回调函数的具体使用方法：
#include "windows.h"
#include "mmsystem.h" // 多媒体定时器需要包含此文件
#pragma comment(lib, "winmm.lib") // 多媒体定时器需要导入此库
void CALLBACK timer_proc(UINT uTimerID, UINT uMsg, DWORD dwUser, DWORD dw1, DWORD dw2) // 定义回调函数
{
printf( "time out./n");
}
int main()
{
UINT nId = timeSetEvent( 1000, 0, timer_proc, 0, TIME_CALLBACK_FUNCTION|TIME_PERIODIC); // 注册回调函数
getchar();
timeKillEvent( nId );
return 0;
}
运行程序，我们会看到，屏幕上每隔一秒将会打印出“time out.”信息。同时我们也应该注意到，这里的timeSetEvent是异步执行的，timeSetEvent很快执行完毕，主线程继续执行，操作系统在后台负责检查timer是否超时。
前面已经说过，本文的是站在SDK设计者的角度来看待问题，这里，我们就把前面那个通俗的例子变成程序，如下：
#ifndef __SDK_H__
#define __SDK_H__
typedef void (*HELP_CALLBACK)(const char*); // 回调函数指针
void help_me( const char* question, HELP_CALLBACK callback ); // 接口声明
#endif //__SDK_H__
/// sdk.cpp (SDK源文件，为方便，没有使用.c文件)
#include "sdk.h"
#include "stdio.h"
#include "windows.h"
HELP_CALLBACK g_callback;
void do_it() // 处理函数
{
printf( "thinking.../n");
Sleep( 3000 );
printf( "think out./n");
printf( "call him./n");
g_callback( "2." );
}
void help_me( const char* question, HELP_CALLBACK callback ) // 接口实现
{
g_callback = callback; // 保存回调函数指针
printf( "help_me: %s/n", question);
do_it(); // 如果采用异步方式的话，这里一般采用创建线程的方式
}
/// app.cpp (应用程序源文件)
#include "sdk.h"
#include "stdio.h"
void got_answer( const char* msg ) // 定义回调函数
{
printf( "got_answer: %s/n", msg);
}
int main()
{
help_me( "1+1=?", got_answer ); // 使用SDK，注册回调函数
return 0;
}
4. C++中回调函数的设计
C++的类中也可以使用类似上面的设计方式。如果SDK采用C语言接口，应用程序使用C++编程方式，那么类成员函数由于具有隐含的this指针而不能赋值给普通函数指针，解决方法很简单，就是为其加上static关键字。以上面的程序为例，这里我们只看应用程序的代码：
#include "sdk.h"
#include "stdio.h"
class App
{
public:
void ask( const char* question )
{
help_me( question, got_answer );
}
static void got_answer( const char* msg )
{
printf( "got_answer: %s/n", msg);
}
};
int main()
{
App app;
app.ask( "1+1=?");
return 0;
}
上面这种方式有个明显的缺点：由于got_answer是静态成员函数，所以它不能访问类的非静态成员变量，这可不是一件好事情。为了解决此问题，作为回调函数的设计者，你有必要为其增添一个参数，用于传递用户所需的值，如下：
#ifndef __SDK_H__
#define __SDK_H__
typedef void (*HELP_CALLBACK)(const char*, unsigned long); // 回调函数指针
void help_me( const char* question, HELP_CALLBACK callback, unsigned long user_value ); // 接口声明
#endif //__SDK_H__
/// sdk.cpp (SDK源文件，为方便，没有使用.c文件)
#include "sdk.h"
#include "stdio.h"
#include "windows.h"
HELP_CALLBACK g_callback;
unsigned long g_user_value;
void do_it()
{
printf( "thinking.../n");
Sleep( 3000 );
printf( "think out./n");
printf( "call him./n");
g_callback( "2.", g_user_value ); // 将用户设定的数据传入
}
void help_me( const char* question, HELP_CALLBACK callback, unsigned long user_value )
{
g_callback = callback;
g_user_value = user_value; // 保存用户设定的数据
printf( "help_me: %s/n", question);
do_it();
}
/// app.cpp (应用程序源文件)
#include "sdk.h"
#include "stdio.h"
#include "assert.h"
class App
{
public:
App( const char* name ) : m_name(name)
{
}
void ask( const char* question )
{
help_me( question, got_answer, ( unsigned long) this ); // 将this指针传入
}
static void got_answer( const char* msg, unsigned long user_value )
{
App* pthis = (App*)user_value; // 转换成this指针，以访问非静态数据成员
assert( pthis );
printf( "%s got_answer: %s/n", pthis->m_name, msg);
}
protected:
const char* m_name;
};
int main()
{
App app( "ABC");
app.ask( "1+1=?");
return 0;
}
这里的user_value被设计成unsigned long，它既可以传递整型数据，也可以传递一个地址值（因为它们在32位机器上宽度都为32），有了地址，那么像结构体变量、类对象等都可以访问了。
5. C++中回调类编程模式
时代在不断进步，SDK不再是古老的API接口，C++面向对象编程被广泛的用到各种库中，因此回调机制也可以采用C++的一些特性来实现。
通过前面的讲解，其实我们不难发现回调的本质便是：SDK定义出一套接口规范，应用程序按照规定实现它。这样一说是不是很简单，想想我们C++中的继承，想想我们亲爱的抽象基类......于是，我们得到以下的代码：
#ifndef __SDK_H__
#define __SDK_H__
class Notifier // 回调类，应用程序需从此派生
{
public:
virtual ~Notifier() { }
virtual void got_answer(const char* answer) = 0; // 纯虚函数，用户必须实现它
};
class Sdk // Sdk提供服务的类
{
public:
Sdk(Notifier* pnotifier); // 用户必须注册指向回调类的指针
void help_me(const char* question);
protected:
void do_it();
protected:
Notifier* m_pnotifier; // 用于保存回调类的指针
};
#define //__SDK_H__
/// sdk.cpp
#include "sdk.h"
#include "windows.h"
#include
using namespace std;
Sdk::Sdk(Notifier* pnotifier) : m_pnotifier(pnotifier)
{
}
void Sdk::help_me(const char* question)
{
cout << "help_me: " << question << endl;
do_it();
}
void Sdk::do_it()
{
cout << "thinking..." << endl;
Sleep( 3000 );
cout << "think out." << endl;
cout << "call him." << endl;
m_pnotifier->got_answer( "2." );
}
/// app.cpp
#include "sdk.h"
class App : public Notifier // 应用程序实现一个从回调类派生的类
{
public:
App( const char* name ) : m_sdk( this), m_name(name) // 将this指针传入
{
}
void ask( const char* question )
{
m_sdk.help_me( question );
}
void got_answer( const char* answer ) // 实现纯虚接口
{
cout << m_name << " got_answer: " << answer << endl;
}
protected:
Sdk m_sdk;
const char* m_name;
};
int main()
{
App app( "ABC");
app.ask( "1+1=?");
return 0;
}
哈哈，是不是很爽？Notifier将用户必须实现的回调函数都以纯虚函数的方式定义，这样用户就不得不实现它，当然如果不是非实现不可，那么我们也可以将其定义成一般的虚函数，并像析构函数那样提供一个“空”的实现，这样用户可以在关心它时才去实现它。由于这个类的作用是实现回调，所以我们不妨称之为回调类。
上面这种方式一简化，可以将Sdk与Notifier合并在一起，@#%&@#...，Stop，这样的代码每本C++书上都有，还用的着说吗（不要砸偶，鸡蛋可以，西红柿不要）。
6. C++类模板方式
上面的方式有继承还有虚函数，某些朋友可能不喜欢其中带来的额外代价，那么怎么才能消除这二者呢？本节的标题已给出了答案——类模板，代码为：
#ifndef __SDK_H__
#define __SDK_H__
#include
using namespace std;
template< typename Notifier>
class Sdk
{
public:
Sdk(Notifier* pnotifier);
void help_me(const char* question);
protected:
void do_it();
protected:
Notifier* m_pnotifier;
};
template< typename Notifier>
Sdk
{
}
template< typename Notifier>
void Sdk
{
cout << "help_me: " << question << endl;
do_it();
}
template< typename Notifier>
void Sdk
{
cout << "thinking..." << endl;
Sleep( 3000 );
cout << "think out." << endl;
cout << "call him." << endl;
m_pnotifier->got_answer( "2." );
}
#endif //__SDK_H__
/// app.cpp
#include "sdk.h"
class App
{
public:
App( const char* name ) : m_sdk( this), m_name(name)
{
}
void ask( const char* question )
{
m_sdk.help_me( question );
}
void got_answer( const char* answer )
{
cout << m_name << " got_answer: " << answer << endl;
}
protected:
Sdk
const char* m_name;
};
int main()
{
App app( "ABC");
app.ask( "1+1=?");
return 0;
}
由于现在很少有编译器支持模板的分离编译，所以迫使我们不得不把SDK的实现也放在头文件中，这对于想要隐藏SDK具体实现的朋友来说可不是一个好的选择。因此这种方式在SDK中还是用得较少。
7. 尾声
知识是灵活运用的，根据具体的需求，可以设计出各种精彩的模式，并不一一雷同。
关于回调的总结就暂告一段落，等以后想到新的方式再作补充。
（freefalcon于2004.09.17）