函数指针进化论（上）

函數指標的進化論 (上)

作者：蔡學鏞

2003 年 10 月

摘要

函數指標 (function pointer) 是傳統 C 語言中少數的動態機制，但是近來許多語言都不再支援函數指標 (包括 Java 和 C#)，而改用其他機制來代替。本文章簡單扼要地說明，多型 (polymorphism)、反映 (reflection)、委託 (delegate) 如何取代函數指標。

函數指標 (function pointer) 是一種「指向函數的指標」，和一般指向資料的指標不同。凡是研究過許多系統原始碼 (例如：Linux Kernel、Borland OWL) 的人，對於函數指標應該都不陌生，因爲多數低階系統都使用 C 語言撰寫，而函數指標是傳統C語言中少數的動態機制，有許多不可取代的地方，所以這些 C 原始碼中到處可見函數指標。

透過一個實際的範例，來瞭解何謂函數指標：

// FncPtr.cpp
#include 
using std::cin;
using std::cout;
using std::endl;
// 聲明 Fnc1(), Fun2(), Twice()
float Fnc1(int);
float Fnc2(int);
double Twice(float (*)(int), int);
// 主程式
int main() {
int A = 3;
int B = 5;
count << "Twice(Fnc1, A)的值為: "
<< Twice(Fnc1, A) << endl;
count << "Twice(Fnc2, B)的值為: "
<< Twice(Fnc2, B) << endl;
}
float Fnc1(int N) {
return float (N*N);
}
float Fnc2(int N) {
return float (N*N*N);
}
double Twice(float (*pF)(int), int N) {
return 2.0 * double(pF(N));
}

執行結果：

Twice(Fnc1, A)的值為：18
Twice(Fnc2, B)的值為：250

此例中，pF 即為函數指標，而函數名稱本身 (Fun1 與 Fun2) 是常數的函數指標。通過函數指標，函數被資料化了 (變成指標)，如此一來函數也可以被傳遞、被紀錄，所以 Fnc1 與 Fnc2 可以被當成參數，傳進 Twice() 中。

一旦函數可以被傳遞、被紀錄，這開啓了許多可能性，産生許多有趣的應用，特別是下列三者：

  • 多型 (polymorphism)：稍後再說明。
  • 多緒 (multithreading)：將函數指標傳進負責建立多緒的 API 中：例如 Win32 的 CreateThread(...pF...)。
  • 回呼 (call-back)：所謂的回呼機制就是：「當發生某事件時，自動呼叫某段程式碼」，Charles Petzold 稱此爲「Don’t Call Me, I'll Call You」。事件驅動 (event-driven) 的系統經常透過函數指標來實現回呼機制，例如 Win32 的 WinProc 其實就是一種回呼，用來處理視窗的訊息。

函數指標的致命缺點是：無法對參數 (parameter) 和返回值 (return value) 的型態進行檢查，因為函數已經退化成指標，指標是不帶有這些型態資訊的。少了型態檢查，當參數或返回值不一致時，會造成嚴重的錯誤。編譯器和虛擬機器 (VM) 並不會幫我們找出函數指標這樣的致命錯誤。所以，許多新的程式語言不支援函數指標，而改用其他方式。

多型

多型的實現方式很複雜，大致上是編譯器或 VM 在資料結構內加入一個資料指標，此指標通常稱爲 vptr，是 Virtual Table Pointer 的意思。vptr 指向一個 Virtual Table，此 Virtual Table 是一個陣列 (array)，由許多函數指標所組成，每個函數指標各自指向一個函數的地址。如圖 1 所示。

圖 1
圖 1

不管是 C++ 編譯器、或是 Java VM、或是 .NET CLR，內部都是以此方式來實現多型。儘管如此，這只能算是 black magic，對於 C++、Java 與 .NET 語言來說，函數指標「並未因此」和語言本身有直接相關。換句話說，C++ 和 Java 與 .NET 語言，就算語法本身不支援函數指標，照樣也能實現多型。事實上，C++ 固然支援函數指標，但不是爲了多型的關係，而是爲了和 C 相容 (畢竟 C++ 是 C 的 superset)；IL Asm (.NET 上的組合語言) 固然支援函數指標，但由於安全的理由，使用上受到相當大的限制，且不是爲了多型的關係。至於 Java 與 C# 則都不支援函數指標。

沒錯，Java 與 C# 都不支援函數指標。雖然剛剛解釋過，這不會影響對於多型的支援，但是這會不會影響對於多緒 (multithreading) 與回呼 (call-back) 機制的支援呢？答案是：不會！因為 Java 可以利用多型或反映 (reflection) 來實現多緒與回呼，而 C#可 以利用多型或反映或委託 (delegate) 來實現多緒與回呼。

反映

顧名思義，反映 (reflection) 機制就像是在吳承恩所著的西遊記中所提及的「照妖鏡」，可以讓類別或物件 (object) 在執行時期「現出原形」。我們可以利用反映機制來深入瞭解某類別 (class) 的建構子 (constructor)、方法 (method)、欄位 (field)，甚至可以改變欄位的值、呼叫方法、建立新的物件。有了反映機制，程式員即使對所欲使用的類別所知不多，也能照樣寫程式。反映機制能夠用來呼叫方法，這正是反映機制能夠取代函數指標的原因。

以 Java 來說，java.lang.reflect.Method (以下簡稱 Method) 類別是用來表示某類別的某方法。我們可以透過 java.lang.Class (以下簡稱 Class) 類別的許多方法來取得 Method 物件。Method 類別提供 invoke() 方法，透過 invoke()，此 Method 物件所表示的方法可以被呼叫，所有的參數則是被組織成一個陣列，以方便傳入 invoke()。

舉個例子，下面是一個名為 Invoke 的程式，它會將命令列的 Java 類別名稱和要呼叫的方法名稱作為參數。為了簡單起見，我假定此方法是靜態的，且沒有參數：

import java.lang.reflect.*;
class Invoke {
public static void main(String[] args ) {
try {
Class c = Class.forName( args[0] );
Method m = c.getMethod( args[1], new Class [] { } );
Object ret = m.invoke( null, null );
System.out.println(args[0] + "." + args[1] +"() = " + ret );
} catch ( ClassNotFoundException ex ) {
System.out.println("找不到此類別");
} catch (NoSuchMethodException ex ) {
System.out.println("此方法不存在");
} catch (IllegalAccessException ex ) {
System.out.println("沒有權限調用此方法");
} catch (InvocationTargetException ex ) {
System.out.println("調用此方法時發生下列例外:\n" +
ex.getTargetException() );
}
}
}

我們可以執行 Invoke 來取得系統的時間：

java Invoke java.lang.System CurrentTimeMillis

執行的結果如下所示：

java.lang.System.currentTimeMillis() = 1049551169474

我們的第一步就是用名稱去尋找指定的 Class。我們用類別名稱 (命令列的第一個參數) 去呼叫 forName() 方法，然後用方法名稱 (命令列的第二個參數) 去取得方法。getMethod() 方法有兩個參數：第一個是方法名稱 (命令列的第二個參數)，第二個是 Class 物件的陣列，這個陣例指明了方法的 signature (任何方法都可能會被多載，所以必須指定 signature 來分辨。) 因為我們的簡單程式只呼叫沒有參數的方法，我們建立一個 Class 物件的匿名空陣列。如果我們想要呼叫有參數的方法，我們可以傳遞一個類別陣列，陣列的內容是各個類別的型態，依順序排列。

一旦我們有了 Method 物件，就呼叫它的 invoke() 方法，這會造成我們的目標方法被調用，並且將結果以 Object 物件傳回。如果要對此物件做其他額外的事，你必須將它轉型為更精確的型態。

invoke() 方法的第一個參數就是我們想要呼叫目標方法的物件，如果該方法是靜態的，就沒有物件，所以我們把第一個參數設為 null，這就是我們範例中的情形。第二個參數是要傳給目標方法作為參數的物件陣列，它們的型態要符合呼叫 getMethod() 方法中所指定的型態。因為我們呼叫的方法沒有參數，所以我們傳遞 null 作為 invoke() 的第二個參數。

以上是 Java 的例子，事實上，.NET 的反映機制也相去不遠，不再贅述。反映機制是最動態的機制，比多型的功能更強大。然而，反映的速度比多型慢許多 (而且多型又比函數指標稍慢)，所以若非必要，應該少用反映機制。事實上，不管是 Java API 或 .NET Framework，都不使用反映機制來實現回呼與多緒。

Java 的多緒

Java沒有函數指標(為了系統安全)，也不用反映機制來處理多緒(一方面為了效率，二方面反映機制是在JDK1.1才開始支援)，而是使用多型的機制來處理多緒，作法如下：(另一種作法是實作java.lang.Runnable介面，與下面的作法雷同，不另說明。)

將執行緒的程式寫在下面的run()方法中：

class MyThread extends java.lang.Thread {
public void run() {
// ...
}
}

再利用下面的方式來啟動此執行緒：

MyThread thread = new MyThread();
thread.start();

start() 方法定義在 java.lang.Thread 類別內，start() 方法會請作業系統建立一個執行緒，再呼叫 run()，此時調用的並非在 java.lang.Thread 內定義的 run() (它是空的)，而是利用多型機制，調用到 MyThread 內定義的 run()。

Java的回呼

通常回呼機制都是使用 publisher/subscriber (出版者/訂閱者) 的方式，必須先向系統註冊：

  • 何事件：我對何種事件感興趣
  • 何函數：當事件發生時，請呼叫我的函數，以爲通知。此函數即爲回呼函數 (call-back function)。

Java 也是使用類似的作法，差別在於 Java 無法利用函式指標，且採用物件導向的作法。Java 將出版者 (publisher) 稱爲事件來源 (event source)，將訂閱者 (subscriber) 稱爲事件傾聽者 (event listener)。大致的作法如下：

  • 向事件來源註冊 (registry) 事件傾聽者
  • 該事件發生時，事件來源通知 (notify) 事件傾聽者

事件來源提供名爲 addXxxListener() 的方法來讓事件傾聽者註冊之用，此方法需要傳入事件傾聽者當參數。至於是何種事件，則由 Xxx 以爲識別。例如：addMouseListener() 表示註冊「滑鼠事件」的事件傾聽者。

利用 addXxxListener()，事件來源就可以將事件傾聽者記錄在欄位 (field) 中。當事件發生時，事件來源就可以從欄位中知道該通知和物件。可是應該呼叫該物件的那個方法呢？如果該物件沒有提供該方法呢？

想要解決此問題，事件來源就必須過濾註冊的對象，addXxxListener() 所需要的參數不可以是籠統的 java.lang.Object，而必須是一個實作 XxxListener 介面 (interface) 的物件。只要在 XxxListener 介面內宣告一個比方說 XxxEventHappened()，那麽任何實作 XxxListener 的物件，都必定有實現 XxxEventHappened()，所以事件來源就可以在事件發生時，呼叫事件傾聽者的 XxxEventHappened()。這正是依靠多型機制才能達成。

事件來源通知事件傾聽者時，往往需要夾帶一些額外的訊息，例如：事件來源是誰、事件發生於何時、事件發生的原因為何…。這些訊息被封裝成事件物件，當作參數傳給 XxxEventHappened()。

Java AWT/Swing 規定，所有的事件都必須繼承自 java.util.EventObject 類別；所有的事件傾聽者都必須實現 java.util.EventListener 介面。圖二是 Java AWT 的事件繼承階層圖：

圖 2
圖 2

例如，我要向一個名為 jButton1 的 javax.swing.JButton 物件註冊，成為它的事件傾聽者，那麼就必須實作 java.awt.event.ActionListener 介面，提供 actionPerformed() 方法，如下所示：

class MyActionListener implements ActionListener {
public void actionPerformed(ActionEvent evt) {
// ...
}
}

註冊的方式如下：

MyActionListener mal = new MyActionListener();
jButton1.addActionListener(mal);

使用多型的機制來實現多緒和回呼，不但麻煩 (必須繼承)，也不能使用靜態方法，因為靜態方法本來就沒有多型的機制 (static 一定是 non-virtual)。順便一提，前面所提到的反映機制，可以支援靜態方法 (static method)。

未完待續 ...

此文章分成兩篇。在本篇中，你可以瞭解 Java 如何利用多型的機制來取代函數指標，在下篇中，你將會體驗到，.NET 是如何利用 delegate 來徹底地取代函數指針，以提供比 Java 更好的解決方式。

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