2. Liaisons en C++

Liaisons en C++

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Introduction

L'objectif de cet article est de présenter les différents types de liaisons en C++. Pour cela, nous introduirons la notion de liaisons et donnerons quelques exemples des mécanismes de liaisons proposés par le C++ et, à titre d'information supplémentaire, comment émuler des mécanismes absents du C++.
Nous présenterons enfin une technique dite du Tag Dispatching, que l'on pourrait traduire par « Liaison par Tag » permettant la sélection de méthodes en compile time.
Cependant, même si l'ensemble des exemples et techniques sont réalisés en C++, le lecteur trouvera des informations plus générales et pourra tout aussi bien adapter le code à son langage favori, en faisant attention aux caractéristiques propres de ce langage.

A noter que cet article ne se veut pas exhaustif sur les différents types de liaisons qui peuvent exister mais essaye simplement de renseigner sur les notions basiques gravitant autour du concept de liaison, d'où l'appellation d'« usuelles » pour les liaisons traitées ici. Pour de plus amples détails, la lecture de la thèse de Coplien est un bon point de départ.

Notion de liaison

La liaison est la capacité d'un langage à sélectionner l'implémentation d'une méthode polymorphique qui est appelée. On distingue plusieurs types de liaisons, en fonction des caractéristiques du langage mais également du contexte d'appel de la méthode ou fonction considérée.

La liaison, dispatch en anglais ne doit pas être confondu avec le binding, malgré que dans beaucoup d'articles ou de livres le terme de binding remplace et / ou aggrège celui de dispatch et que la traduction française de liaison soit plus proche de la traduction de binding. Le binding est en effet la capacité à associer à un appel le nom d'une méthode, tandis que le dispatch sélectionne l'implémentation d'une méthode parmi plusieurs proposant le même nom. Le dispatch intervient donc après le binding et un binding peut être statique là où le dispatch sera dynamique. L'inverse est évidemment impossible puisqu'avant de choisir une implémentation d'une méthode il faut évidemment en choisir son nom.

Cependant, selon le langage ainsi que la communauté et les habitudes de chacun, le terme dispatch peut être ou non confondu avec le terme binding, l'un désignant le concept général de sélection de la méthode à appeler et le second l'implémentation des mécanismes. Une réponse confrontant les divers avis se trouve ici.

Liaison statique ou dynamique

Dans un premier temps, on peut caractériser la liaison selon que toute l'information nécessaire à l'appel puisse être déduite en compile time - on parlera alors de liaison statique - ou qu'il faille un contexte donné en run time.
Il y a un liaison dynamique lorsque la sélection d'une méthode à utiliser dépend d'un type qui ne sera connu qu'à l'exécution, comme celui du paramètre d'une méthode par exemple.
Le C++ propose ces deux types de liaisons, la liaison statique étant le comportement par défaut et la liaison dynamique étant obtenue grâce à l'utilisation du mot clef virtual.

Exemple de static dispatch :

struct Foo
{
    void f() const { cout << "Foo::f()" << endl ; }
} ;

struct Bar
{
    void f() const { cout << "Bar::f()" << endl ; }
} ;

int main()
{
    Foo a ;
    Bar b ;

    a.f() ;
    b.f() ;

    return 0;
}

Il est évident ici que le compilateur peut extraire de manière certaine du contexte, la méthode à appeler. L'ensemble des types utilisés par le programme principal est connu à l'avance.

Nous avons donc pour sortie :

Foo::f
Bar::f

Exemple de liaison dynamique :

struct Base
{
    virtual void f() const = 0;
    virtual ~Base() {}
};

struct Foo : public Base
{
    void f() const { cout << "Foo::f()" << endl ; }
};

struct Bar : public Base
{
    void f() const { cout << "Bar::f()" << endl ; }
};

void dispatch(const Base& base)
{
    base.f();
}

int main()
{
    Foo a;
    Bar b;

    dispatch(a);
    dispatch(b) ;

    return 0;
}

Remarquez le type du paramètre de la fonction dispatch : il s'agit d'un objet polymorphique de type Base. Comment savoir quelle méthode membre f appeler avant l'appel explicite à la fonction dispatch ? La liaison est donc faite en fonction du contexte d'exécution.

La sortie est la suivante :

Foo::f
Bar::f

Liaison simple ou multiple

On peut également caractériser davantage la liaison dynamique, en fonction de sa capacité à s'appliquer au regard du nombre d'objets polymorphiques qu'une méthode prend en paramètre.
Si le langage est capable de correctement choisir l'implémentation d'une fonction appelée contenant un seul objet polymorphique, on parle de liaison simple ou Single Dispatch, s'il peut en traiter deux, on parle de Double Dispatch et pour un nombre quelconque de Multiple Dispatch de manière générale.

Le C++ ne permet, nativement, que le Single Dispatch mais nous verrons qu'il est possible d'émuler du Double Dispatch assez facilement.

Avant de donner quelques exemples, rappeler que lorsque l'on appelle une méthode depuis une instance de classe, il y a TOUJOURS un paramètre : l'instance de la classe qui appelle la méthode. L'écriture courante utilisant un point (ou autre selon les langages) pour séparer visuellement l'instance appelante des autres paramètres n'est que du sucre syntaxique permettant une plus grande lisibilité. Il faut donc en tenir compte lorsque l'on parle de liaison puisque dans le cas du Single Dispatch, le seul paramètre prit en compte est l'instance appelante.
Nous avons donc déjà rencontré un exemple de Single Dispatch : l'exemple de la liaison dynamique donné à la section précédente.

Voici un exemple qui montre le comportement limité de la liaison en C++ . Considérons les classes suivantes :

struct Vehicle 
{
    virtual void print() const { cout << "Je suis juste un vehicule ! :'(" << endl; };
};

struct Plane : public Vehicle 
{
    void print() const { cout << "Je suis un avion ! :)" << endl; }
};

struct Parking
{
    virtual void park(const Vehicle& v) const { cout << "Bienvenue au garage !" << endl; v.print(); };
    virtual void park(const Plane& p) const { cout <<  "Pas assez de place pour garer un avion !" << endl; p.print();};
};

struct WideParking : public Parking
{
    void park(const Vehicle& v) const { cout << "Bienvenue au garage extra-large !" << endl; v.print(); };
    void park(const Plane& p) const { cout <<  "Il y a toute la place qu'il faut pour un avion !" << endl; p.print();};
};

Et voici quelques fonctions main accompagnées de leur sortie :

int main()
{
    Vehicle v;
    Plane pl;
    Parking p;
    WideParking wp;

    p.park(v);
    wp.park(v);

    p.park(pl);
    wp.park(pl);

    return 0;
}

Et la sortie associée :

Bienvenue au garage !
Je suis juste un vehicule ! :'(
Bienvenue au garage extra-large !
Je suis juste un vehicule ! :'(

Pas assez de place pour garer un avion !
Je suis un avion ! :)
Il y a toute la place qu'il faut pour un avion !
Je suis un avion ! :)

Ici, aucun soucis, nous avons bien le comportement désiré. En effet, tous les types sont bien caractérisés et peuvent être déduit en compile time,

Un autre essai en utilisant un pointeur sur vehicule en lieu et place de notre instance d'avion caractérisée :

int main()
{
    Plane pl;
    Vehicle& plr = pl;

    Parking p;
    WideParking wp;

    p.park(plr);
    wp.park(plr);

    return 0;
}

Ce qui nous donne :

Bienvenue au garage !
Je suis un avion ! :)
Bienvenue au garage extra-large !
Je suis un avion ! :)

Il s'agit toujours du comportement attendu et pourtant cette fois il y a eu liaison dynamique. En effet, on ne pouvait déterminer qu'en run time que l'objet passé aux parkings était un avion et non pas un simple véhicule. Par ailleurs, si l'on avait retiré la virtualité à la méthode print, nous n'aurions évidemment pas eu le message indiquant qu'il s'agit d'un avion.

Un dernier exemple au comportement attendu avant de montrer les limites du Single Dispatch :

int main()
{
    Vehicle v;
    Plane pl;

    WideParking wp;
    Parking& wpr = wp;

    wpr.park(v);
    wpr.park(pl);

    return 0;
}

Avec pour sortie :

Bienvenue au garage extra-large !
Je suis juste un vehicule ! :'(
Il y a toute la place qu'il faut pour un avion !
Je suis un avion ! :)

Cette fois, c'est un pointeur sur Parking qui pointe sur un objet WideParking. Les types des véhicules sont pleinement caractérisés. On pourrait alors croire qu'il y a eu une liaison statique alors qu'en réalité la liaison c'est effectuée en run time. En effet, l'instance de l'objet est un paramètre de la méthode park. Ainsi, pour appeler la bonne méthode park, il a fallu attendre l'appel effectif pour que le contexte permette de savoir qu'il s'agissait bien d'un WideParking !

Pour vous convaincre que l'instance est bien un paramètre, voici le cas pathologique :

int main()
{
    Plane pl;
    Vehicle& plr = pl;

    WideParking wp;
    Parking& wpr = wp;

    wp.park(pl);
    wp.park(plr);

    wpr.park(pl);
    wpr.park(plr);

    return 0;
}

Et nous obtenons ainsi :

Il y a toute la place qu'il faut pour un avion !
Je suis un avion ! :)
Bienvenue au garage extra-large !
Je suis un avion ! :)

Il y a toute la place qu'il faut pour un avion !
Je suis un avion ! :)
Bienvenue au garage extra-large !
Je suis un avion ! :)

Les 3 premiers appels ont été traités dans les exemples précédents. Le dernier ne donne cependant pas le résultat correct ! En effet, nous aurions aimé avoir :

Il y a toute la place qu'il faut pour un avion !
Je suis un avion ! :)

Le Single Dispatch fait que la résolution ne permet pas de trouver la bonne implémentation entre WideParking::park(const Vehicle&) const et WideParking::(const Plane&) const ainsi, c'est la première qui est appelée puisque c'est le type légitime de plr. On voit bien que le premier argument traité pour le dispatching est l'instance de l'objet qui appelle la méthode, puisqu'on appelle bien une méthode de l'objet WideParking et non pas Parking.

D'où provient cette limitation en nombre qui peut sembler surprenante ?
La raison est assez simple et n'est pourtant pas liée directement au C++. Le mécanisme de résolution des appels virtuels se fait au travers d'une structure de données appelée la vtable qui ne permet pas directement de faire de la liaison multiple. La vtable se charge de stocker dans un tableau interne et invisible au programmeur, des pointeurs vers les instances de classes allouées. Typiquement, une vtable sera créée pour chaque classe.
Là où le bat blesse, c'est que l'implémentation de la vtable est dépendante du compilateur, de même que les mécanismes nécessaires à son bon fonctionnement (notamment l'ajout de code dans le constructeur des objets, pointeurs internes à l'instance). Pire encore, le standard ne spécifie pas l'usage d'une vtable pour la liaison dynamique et donc, en théorie, il serait possible d'utiliser des alternatives. Cependant, le standard guide suffisemment pour que l'approche vtable soit celle retenue par tous les compilateurs.

Pour information, diverses autres solutions existent, notamment des arbres binaires de recherche ou des tables de hashages. L'avantage de la vtable est sa simplicité d'implémentation et ses performances plutôt bonnes.

Notons que sous gcc, l'option -fdump-class-hierarchy permet d'afficher la vtable.

Double Dispatch en C++ : patron de conception Visiteur

Le besoin de liaison double est un besoin relativement courant en développement logiciel et c'est donc tout naturellement qu'un patron de conception visant à résoudre le problème a vu le jour. Connu sous le nom de Visiteur, il permet de simuler une liaison double lorsque le nombre de classes est relativement restreint (sinon le surcoût en terme de code et donc de maintenabilité devient problématique).

Si techniquement il permet la simulation de la liaison double dynamique, les problèmes rencontrés qui amènent à se tourner vers cette solution relèvent plutôt de la séparation entre algorithme et structure de données.

Le principe est d'avoir une méthode publique pour chaque objet devant être visité, prenant un objet Visiteur devant effectuer un traitement en utilisant des données internes à l'objet visité. Cette méthode publique va appeler la méthode effectuer ce traitement sur l'instance du Visiteur, tout en lui donnant une réference sur lui même.

Concrètement, admettons que nous ayons ces quelques classes :

class A;

class B : public A {};
class C : public A {};

Pour chaque objet dérivant de A, nous devons créer une méthode acceptant un Visisteur :

 void B::acceptVisit(Visitor *visitor) {
   visitor->visitB(this) ;
 }

 void C::acceptVisit(Visitor *visitor) {
   visitor->visitC(this) ;
 }

Enfin, nous devons créer notre visiteur et chacune de ses méthodes pour visiter nos objets.

void Visitor::visitB(B * object) {
    // Le traitement de l'objet de type B en utilisant une instance pleinement caractérisée
  }

On comprendra donc pourquoi le visiteur n'est une solution efficace et élégante qu'en présente d'un nombre restreint de classes.

La littérature sur les patrons de conception étant vaste et très bien fournie, je me contenterai ici de ce strict minimum pour parler du tag dispatching, beaucoup moins représenté.

Tag Dispatching

Présentation & Mise en place

Le Tag Dispatching est une technique de métaprogrammation permettant de choisir en compile time un algorithme ou plus généralement une fonction polymorphique en fonction des besoins. Cette technique est donc souvent couplée aux classes de politique ou Type Traits.

Concrètement, il s'agit de surcharger une fonction en rajoutant un paramètre invisible pour l'utilisateur : le tag. Seule la version sans tag est laissée publique et c'est cette version qui va appeler la version correcte au travers du tag correspondant. Un tag est une structure de donnée vide, qui porte généralement l'information utile grâce à son ou ses templates.

Imaginons une politique de gestion du parallélisme constituée de deux classes : MonoThread et MultiThread. Dans le premier cas, aucun mécanisme de vérification d'accès concurrent ne sera fourni, tandis que la seconde fourni toute l'interface nécessaire au parallélisme.

J'ai un algorithme qui dépend d'une heuristique, qui pourra être changée à la volée en fonction du contexte. Cependant, si je peux paralléliser le traitement de mon heuristique avec d'autres étapes de mon algorithme, l'algorithme et l'heuristique vont accéder à des données en commun et il est donc important de s'assurer que l'heuristique est thread-safe (elle a le niveau de granularité le plus fin, c'est donc à elle d'assurer ce rôle).
Cependant, il existe des cas où l'on ne veut pas exécuter en parallèle l'heuristique (parce que les accès concurrents feraient perdre trop de temps pour un gain non significatif, parce que la machine cible ne sera capable de gérer le multithread correctement, etc).

Le Tag Dispatching va nous permettre d'appeler la bonne version de l'algorithme selon la politique de l'heuristique.

Voici les politiques :

struct MonoThread
{
    void Lock()
    {
        cout << "Rien à locker, je suis en monothread !" << endl;
    }

    void Unlock()
    {
        cout << "Rien à unlocker !" << endl;
    }
};

class MultiThread
{
public :
    void Lock()
    {
        m.lock();
        cout << "Je lock le scope, des accès concurrents sont possibles. " << endl;
    }

    void Unlock()
    {
        cout << "On delock le scope !" << endl;
        m.unlock();
    }

protected :
    std::mutex m;
};

Et voici l'heuristique. Il faut bien comprendre que l'heuristique ne fait pas forcément ses traitements en parallèle. Le lock effectué s'assure juste l'exclusivité sur l'accès des données partagées (non représentées ici).

template <class ThreadPolicy = MonoThread>
struct Heuristic : protected ThreadPolicy
{
    void operator()()
    {
        ThreadPolicy::Lock();
        cout << "On lance l'heuristique !" << endl;
        ThreadPolicy::Unlock();
    };
};

Enfin, voici les tags et l'algorithme : 

template <bool> struct isMultiThread {};
using multi_tag = isMultiThread<true>;
using mono_tag = isMultiThread<false>;

Tout d'abord, nous définissons le tag général : l'information utile est portée par le template booléen. Soit nous sommes en multithread, soit nous sommes en monothread et ainsi nous spécialisons les tags. A noter que dans un cas plus complexe, il est possible de laisser un cas par défaut.

class Algo
{
public :
    template <class T>
    void operator()(Heuristic<T>& h)
    {
        cout << "On lance l'algorithme !" << endl;
        cout << "Quelques étapes d'initiatialisation" << endl;
        operator()(h, isMultiThread<is_same<T, MultiThread>::value>());
    }

protected :
    template <class T>
    void operator()(Heuristic<T>& h, const multi_tag&)
    {
        cout << "Chouette, mon heuristique est protégée, je peux la lancer en parallèle" << endl;
        thread t(ref(h));
        cout << "Quelques opérations en parallèle de mon heuristique." << endl;
        t.join();
    }

    template <class T>
    void operator()(Heuristic<T>& h, const mono_tag&)
    {
        cout << "Mince, mon heuristique n'est pas parallèle." << endl;
        h();
    }
};

Seule la version sans tag de l'opérateur () est laissée publique. Les templates étant résolus à la compilation, lorsque le compilateur arrive sur la ligne operator()(h, isMultiThread<is_same<T, MultiThread>::value>());, il va remplacer l'appel par le résultat du type trait de la bibliothèque standard is_same qui renvoie la valeur vrai si les types des deux templates spécifiés sont les même et faux autrement.

Ainsi, si la politique T de l'heuristique est MultiThread, cette ligne sera équivalente à operator()(h, multi_tag) qui correspond au prototype de l'appel parallèle puisque multi_tag est un alias sur isMultiThread<true>. Dans le cas contraire, c'est l'appel séquentiel qui sera engagé.

Avec le main suivant :

int main()
{
    Heuristic<MultiThread> heur_mt;
    Algo algo;

    algo(heur_mt);

    return 0;
}

Nous obtenons la sortie suivante :

On lance l'algorithme !
Quelques étapes d'initiatialisation
Chouette, mon heuristique est protégée, je peux la lancer en parallèle
Quelques opérations en parallèle de mon heuristique.
Je lock le scope, des accès concurrents sont possibles. 
On lance l'heuristique !
On delock le scope !

Et si l'on change la politique de l'heuristique pour MonoThread :

On lance l'algorithme !
Quelques étapes d'initiatialisation
Mince, mon heuristique n'est pas parallèle.
Rien à locker, je suis en monothread !
On lance l'heuristique !
Rien à unlocker !

Précisions tout de même que cette implémentation n'est pas exception safe mais laissée en l'état pour des raisons pédagogiques.

Coût

Le coût du Tag Dispatching est très faible puisqu'il ne représente qu'un temps de compilation plus élevé et l'appel d'une fonction supplémentaire. En terme de place mémoire, le compilateur optimise normalement les tags qui disparaitront, étant vides et non utilisés en run time.

Conclusion

Au cours de cet article nous avons pu aborder une bonne partie des mécanismes de liaisons, qu'ils soient statiques ou dynamiques, simples ou multiples. Nous avons également donné des pistes pour émuler une liaison dynamique double en C++ avec le patron de conception Visiteur, et d'une technique de programmation générique permettant la sélection de fonction en compile time, à savoir le Tag Dispatching.

Pour conclure, notons qu'il existe diverses méthodes pour implémenter de manière plus élégante que le Visiteur la liaison dynamique mais nous laissons cela en référence pour le lecteur qui voudrait aller plus loin. Est également présent dans les références, un article sur des structures de données liées aux liaisons dynamiques.

Références