讲解消息分发的一种编译期实现法

 

今天讲消息分发的一种编译期实现法。

编程是一门非常依赖逻辑的学科，逻辑分为形式逻辑和非形式逻辑，编程就属于形式逻辑。形式逻辑指的是用数学的方式去抽象地分析命题，它有一套严谨的标准和公理系统，对错分明；而日常生活中使用的是非形式逻辑，它不存在标准和公理，也没有绝对的对与错。

根据哲学家大卫·休谟在《人性论》中对于观念之间连接的分类，我们能够把逻辑关系分成三大类：相似关系、因果关系、承接关系。相似关系表示两个组件结构相同，去掉其中一个组件，也只会使功能不够全面，并不会影响程序；因果关系表示两个组件之间依赖性极强，没有第一个组件，就没有第二个组件，第二个组件依赖于第一个组件；承接关系表示两个组件都是局部，只有组合起来，才能构成一个整体。

消息分发就属于因果关系，我们需要依赖 A，去执行 B，没有 A 就没有 B。同样属于因果关系的术语还有逻辑分派、模式匹配、定制点的表示方式等等，它们本质都是在描述一类东西，只是有时候侧重点不同。

条件关系也属于因果关系的范畴，是编程中逻辑最重的关系。试想没有 if else，你还能写出多少程序？世界是复杂的，问题也是复杂的，因果关系必不可少。

消息分发，或称逻辑分派，就是一种简化条件关系表达方式的技术。它适用于存在大量因果的情境，此时若是使用原始的 if else，则无法适应动态发展的世界。

C++ 中，最典型、也非常有用的一种方式就是采用 map，因作为 key，果作为 value，因是标识符，果是回调函数。由于这种方式发生于运行期，所以也称为动态消息分发。

本文要讲的，是 C++20 才得以实现的另外一种方式，发生于编译期的静态消息分发技术。

称为消息分发，一般是在网络通信的情境下。正常情境下，程序是顺序执行的，所以完全可以使用 if else 来实现因果逻辑，因为组件与组件之间距离较近，属于同一模块；而网络情境下，一个组件可以瞬间跳跃到距离非常远的另一个组件，这两个组件甚至不在同一台设备上，一台设备可能在上海，另一台在北京，此时如何让这两个组件进行沟通？也就是说，A 组件里面的某个函数执行条件不满足，如何简单地跳到 B、C、D、E…… 这些组件的某个函数中去处理？这种远距离的程序因果逻辑，通过消息分发组件能够非常丝滑地表示。

消息分发的标识符一般采用字符串表示，到了 C++20 支持 string literal NTTP 才得以在编译期实现一套可用的相关组件。

因此首先，我们得实现一个 string literal 以在编译期使用。

1template <std::size_t N> 2struct string_literal { 3    // str is a reference to an array N of constant char 4    constexpr string_literal(char const (&str)[N]) { 5        std::copy_n(str, N, value); 6    } 7 8    char value[N]; 9};
通过这种方式，我们定义了编译期能够使用的字符串组件，它能够直接当作模板参数使用。
然后，定义我们的分发器。

1template  2struct dispatcher { 3    template  4    constexpr auto execute_if(char const* cause) const { 5        if (C == cause) handler(); 6    } 7 8    constexpr auto execute(char const* cause) const { 9        (execute_if(cause), ...); 10    } 11};
代码非常精简，分发器可以包含很多「因」，使用可变模板参数 Cs 进行表示。如果得到一个具体的「因」，我们需要找到对应的「果」，因此免不了遍历 Cs，借助 Fold expressions，一行代码优雅地搞定。通过 execute_if 来查找是否存在对应的「因」，也就是对比字符串是否相等，查找到则调用相应的「果」，也就是具体的处理函数 handler()。
接着，需要定义一个默认的因果，即如果没有定义相应的处理函数时，所调用的一个默认处理函数。
 

1// default implementation 2template  3inline constexpr auto handler = [] { std::cout << "default effect "; };
因为是模板参数，所以它能够处理所有的「因」。
通过特化，我们能够在任何地方，定义任何因果。比如：
 

1// opt-in customization points 2template<> inline constexpr auto handler<"cause 1"> = [] { std::cout << "customization points effect 1 "; }; 3template<> inline constexpr auto handler<"cause 2"> = [] { std::cout << "customization points effect 2 "; };
默认版本和定制版本之间是相似关系，即便不提供定制版本，也会不影响程序的功能。
由于特化更加特殊，所以决议时会首先考虑这些因果对。但是，此时有巨大的重复，我们通过宏来自动生成重复代码：
 

1#define _(name) template<> inline constexpr auto handler<#name> 2 3// opt-in customization points 4_(cause 1) = [] { std::cout << "customization points effect 1 "; }; 5_(cause 2) = [] { std::cout << "customization points effect 2 "; };
现在定制起来就更加方便、简洁。 最后，具体使用。
 

1int main() { 2    constexpr string_literal cause_1{ "cause 1" }; 3    constexpr dispatcher"cause 2", "cause 3"> dispatch; 4    dispatch.execute(cause_1); 5    dispatch.execute("cause 2"); 6    dispatch.execute("cause 3"); 7}
相比动态消息分发，这种方式有两个巨大的优势，其一是编译期，其二是定制时可以在任何地方。动态消息分发一般需要调用 dispatch.add_handler(cause, effect)，因为是成员函数，所以限制了定制地方，必须得在对象所在模块，而静态消息分发这种全局定义特化的方式，则没有这种限制。
目前其实还存在两个问题，第一是 C == cause 并没有相应的比较操作符，第二是 dispatch.execute(cause_1) 并不能直接传递，因为 char const* 和 string_literal 毕竟不是同一种类型。可以通过添加运算符重载和隐式转换来解决：
 

1template <std::size_t N> 2struct string_literal { 3    // ... 4 5    friend bool operator==(string_literal const& s, char const* cause) { 6        return std::strncmp(s.value, cause, N) == 0; 7    } 8 9    operator char const*() const { 10        return value; 11    } 12 13    // ... 14}; 现在以上静态消息分发组件就能够正常使用了。完整的代码如下：

1template <std::size_t N> 2struct string_literal { 3    constexpr string_literal(char const (&str)[N]) { 4        std::copy_n(str, N, value); 5    } 6 7    friend bool operator==(string_literal const& s, char const* cause) { 8        return std::strncmp(s.value, cause, N) == 0; 9    } 10 11    operator char const*() const { 12        return value; 13    } 14 15    char value[N]; 16}; 17 18// default implementation 19template  20inline constexpr auto handler = [] { std::cout << "default effect "; }; 21 22#define _(name) template<> inline constexpr auto handler<#name> 23 24// opt-in customization points 25_(cause 1) = [] { std::cout << "customization points effect 1 "; }; 26_(cause 2) = [] { std::cout << "customization points effect 2 "; }; 27 28 29template  30struct dispatcher { 31    template  32    constexpr auto execute_if(char const* cause) const { 33        if (C == cause) handler(); 34    } 35 36    constexpr auto execute(char const* cause) const { 37        (execute_if(cause), ...); 38    } 39}; 40 41int main() { 42    constexpr string_literal cause_1{ "cause 1" }; 43    constexpr dispatcher"cause 2", "cause 3"> dispatch; 44    dispatch.execute(cause_1); 45    dispatch.execute("cause 2"); 46    dispatch.execute("cause 3"); 47}
短短数十行代码，便实现了一个威力强大的静态消息分发组件，This is modern C++。  

　　审核编辑：汤梓红