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Pontos de extensão para seus tipos de implementação

  • Artigo

O modelo de struct winrt::implements é a base da qual suas próprias implementações de C++/WinRT (de classes de runtime e fábricas de ativação) derivam direta ou indiretamente.

Este tópico aborda os pontos de extensão winrt::implements no C++/WinRT 2.0. Você pode optar por implementar esses pontos de extensão em seus tipos de implementação, a fim de personalizar o comportamento padrão de objetos inspecionáveis (inspecionável no sentido da interface IInspectable).

Esses pontos de extensão permitem adiar a destruição dos tipos de implementação, para consultar com segurança durante a destruição e para conectar a entrada e a saída dos métodos projetados. Este tópico descreve esses recursos e explica mais sobre quando e como usá-los.

Destruição adiada

No tópico Diagnosticar alocações diretas, mencionamos que seu tipo de implementação não pode ter um destruidor privado.

O benefício de ter um destruidor público é que ele permite a destruição adiada, que é a capacidade de detectar a chamada final IUnknown::Release em seu objeto e, em seguida, apropriar-se desse objeto para adiar sua destruição indefinidamente.

Lembre-se de que objetos COM clássicos têm referência intrinsecamente contada; a contagem de referência é gerenciada por meio das funções IUnknown::AddRef e IUnknown::Release. Em uma implementação tradicional de Release, um destruidor C++ do objeto COM clássico é invocado após a contagem de referências atingir 0.

uint32_t WINRT_CALL Release() noexcept
{
    uint32_t const remaining{ subtract_reference() };
 
    if (remaining == 0)
    {
        delete this;
    }
 
    return remaining;
}

O delete this; chama o destruidor do objeto antes de liberar a memória ocupada por ele. Isso funciona bem o suficiente, contanto que você não precise fazer nada interessante em seu destruidor.

using namespace winrt::Windows::Foundation;
... 
struct Sample : implements<Sample, IStringable>
{
    winrt::hstring ToString() const;
 
    ~Sample() noexcept
    {
        // Too late to do anything interesting.
    }
};

O que queremos dizer com interessante? Para começar, um destruidor é inerentemente síncrono. Não é possível alternar threads, talvez para destruir alguns recursos específicos do thread em um contexto diferente. Não é possível consultar o objeto de forma confiável para alguma outra interface que você talvez precise para liberar determinados recursos. A lista continua. Para os casos em que sua destruição não é trivial, é necessária uma solução mais flexível. Que é onde a função final_release do C++/WinRT entra.

struct Sample : implements<Sample, IStringable>
{
    winrt::hstring ToString() const;
 
    static void final_release(std::unique_ptr<Sample> ptr) noexcept
    {
        // This is the first stop...
    }
 
    ~Sample() noexcept
    {
        // ...And this happens only when *unique_ptr* finally deletes the object.
    }
};

Atualizamos a implementação do C++/WinRT de Release para chamar final_release logo quando a contagem de referências do seu objeto faz a transição para 0. Nesse estado, o objeto pode ter certeza de que não há mais referências pendentes e agora tem a propriedade exclusiva de si mesmo. Por esse motivo, ele pode transferir a propriedade de si mesmo para a função final_release.

Em outras palavras, o objeto transformou-se em um que dá suporte à propriedade compartilhada em um que tem propriedade exclusiva. O std::unique_ptr tem a propriedade exclusiva do objeto e naturalmente destruirá o objeto como parte de sua semântica, daí a necessidade de um destruidor público, quando o std::unique_ptr sai do escopo (desde que não seja movido para outro lugar antes disso). E esse é o segredo. É possível usar o objeto indefinidamente, desde que std::unique_ptr mantenha o objeto ativo. Veja uma ilustração de como você pode mover o objeto para outro lugar.

struct Sample : implements<Sample, IStringable>
{
    winrt::hstring ToString() const;
 
    static void final_release(std::unique_ptr<Sample> ptr) noexcept
    {
        batch_cleanup.push_back(std::move(ptr));
    }
};

Esse código salva o objeto em uma coleta chamada batch_cleanup. Um dos trabalhos dela é limpar todos os objetos em algum ponto futuro no tempo de execução do aplicativo.

Normalmente, o objeto é destruído quando std::unique_ptr é destruído, mas você pode acelerar a destruição desse objeto chamando std::unique_ptr::reset ou adiá-la salvando std::unique_ptr em algum lugar.

Talvez de maneira mais prática e avançada, você pode transformar a função final_release em uma corrotina e manipular sua eventual destruição em um lugar, além de suspender e alternar threads, conforme necessário.

struct Sample : implements<Sample, IStringable>
{
    winrt::hstring ToString() const;
 
    static winrt::fire_and_forget final_release(std::unique_ptr<Sample> ptr) noexcept
    {
        co_await winrt::resume_background(); // Unwind the calling thread.
 
        // Safely perform complex teardown here.
    }
};

Uma suspensão apontará as causas de o thread de chamada, que originalmente iniciava a chamada para a função IUnknown::Release, retornar e, portanto, indicará ao chamador que o objeto que ele já ocupou não está mais disponível por meio desse ponteiro de interface. As estruturas de interface do usuário geralmente precisam verificar se os objetos são destruídos no thread de interface de usuário específico que originalmente criou o objeto. Esse recurso facilita o atendimento de um requisito, porque a destruição é separada da liberação do objeto.

O objeto transmitido a final_release é meramente um objeto C++, não é mais um objeto COM. Por exemplo, as referências COM ao objeto fracas e existentes não são mais resolvidas.

Consultas seguras durante a destruição

A criação da noção de destruição adiada é a capacidade de consultar interfaces com segurança durante a destruição.

O COM clássico baseia-se em dois conceitos centrais. O primeiro é a contagem de referências e o segundo é a consulta de interfaces. Além de AddRef e Release, a interface IUnknown fornece QueryInterface. Esse método é muito usado por determinadas estruturas de interface do usuário, como XAML, para atravessar a hierarquia XAML enquanto simula seu sistema de tipos combináveis. Considere um exemplo simples.

struct MainPage : PageT<MainPage>
{
    ~MainPage()
    {
        DataContext(nullptr);
    }
};

Isso pode parecer inofensivo. Esta página XAML deseja limpar seu contexto de dados em seu destruidor. Mas DataContext é uma propriedade da classe base FrameworkElement e reside na interface IFrameworkElement distinta. Como resultado, o C++/WinRT deve injetar uma chamada em QueryInterface para pesquisar o vtable correto antes de poder chamar a propriedade DataContext. Mas o motivo pelo qual estamos até no destruidor é que a contagem de referência fez a transição para 0. Chamar QueryInterface aqui impacta temporariamente a contagem de referência; e quando ela é retornada novamente para 0, o objeto é destruído novamente.

O C++/WinRT 2.0 foi protegido para dar suporte a isso. Veja a implementação do C++/WinRT 2.0 de Release, em uma forma simplificada.

uint32_t Release() noexcept
{
    uint32_t const remaining{ subtract_reference() };
 
    if (remaining == 0)
    {
        m_references = 1; // Debouncing!
        T::final_release(...);
    }
 
    return remaining;
}

Como você deve ter previsto, ela primeiro decrementa a contagem de referência e, em seguida, agirá somente se não houver referências pendentes. No entanto, antes de chamar a função final_release estática que descrevemos anteriormente neste tópico, ela estabiliza a contagem de referência definindo-a como 1. Denominamos isso ressalto (utilizando um termo emprestado da engenharia elétrica). Isso é fundamental para impedir a liberação da referência final. Quando isso acontece, a contagem de referência é instável e não pode dar suporte com confiança a uma chamada a QueryInterface.

Chamar QueryInterface será perigoso depois que a referência final tiver sido liberada, pois a contagem de referência poderá crescer indefinidamente. É sua responsabilidade chamar apenas caminhos de código conhecidos que não prolongam a vida útil do objeto. O C++/WinRT vai ao seu encontro verificando se essas chamadas QueryInterface podem ser feitas de forma confiável.

Ele faz isso estabilizando a contagem de referência. Quando a referência final tiver sido liberada, a contagem de referência real será 0 ou algum valor muito imprevisível. O último caso poderá ocorrer se referências fracas estiverem envolvidas. De qualquer forma, isso será insustentável se uma chamada subsequente a QueryInterface ocorrer; porque isso fará necessariamente com que a contagem de referência seja incrementada temporariamente e, consequentemente, o salto da referência seja desfeito. Defini-la como 1 garante que uma chamada final a Release nunca mais ocorrerá neste objeto. Isso é justamente o que queremos, já que std::unique_ptr agora tem a propriedade do objeto, mas as chamadas associadas a pares QueryInterface/Release estarão seguras.

Considere um exemplo mais interessante.

struct MainPage : PageT<MainPage>
{
    ~MainPage()
    {
        DataContext(nullptr);
    }

    static winrt::fire_and_forget final_release(std::unique_ptr<MainPage> ptr)
    {
        co_await 5s;
        co_await winrt::resume_foreground(ptr->Dispatcher());
        ptr = nullptr;
    }
};

Primeiro, a função final_release é chamada, notificando a implementação de que é hora de limpar. Aqui, final_release é uma corrotina. Para simular um primeiro ponto de suspensão, ele começa aguardando o pool de threads por alguns segundos. Em seguida, ele é retomado no thread de dispatcher da página. A última etapa envolve uma consulta, já que Dispatcher é uma propriedade da classe base DependencyObject. Por fim, a página é realmente excluída em virtude da atribuição de nullptr a std::unique_ptr. Isso, por sua vez, chama o destruidor da página.

Dentro do destruidor, limpamos o contexto de dados, que, como sabemos, requer uma consulta para a classe base FrameworkElement.

Tudo isso é possível devido ao ressalto da contagem de referência (ou estabilização da contagem de referência) fornecido pelo C++/WinRT 2.0.

Entrada do método e ganchos de saída

Um ponto de extensão menos usado é o struct abi_guard e as funções abi_enter e abi_exit.

Se o seu tipo de implementação definir uma função abi_enter, essa função será chamada na entrada de todos os métodos de interface projetados (sem contar os métodos de IInspectable).

Da mesma forma, se você definir abi_exit, ele será chamado na saída de cada método, mas não será chamado caso seu abi_enter gere uma exceção. Ele ainda será chamado se uma exceção for lançada pelo próprio método da interface projetada.

Como exemplo, você pode usar abi_enter para gerar uma exceção invalid_state_error hipotética caso um cliente tente usar um objeto após o objeto ter sido colocado em um estado inutilizável, talvez após uma chamada de método Shut­Down ou Disconnect. As classes de iterador C++/ WinRT usam esse recurso para lançar uma exceção de estado inválida na função abi_enter, caso a coleção subjacente tenha sido alterada.

Além das funções simples abi_enter e abi_exit, é possível definir um tipo aninhado chamado abi_guard. Nesse caso, uma instância de abi_guard é criada na entrada para cada um dos métodos de interface projetados (não IInspectable), com uma referência ao objeto como seu parâmetro construtor. O abi_guard então é destruído na saída do método. Você pode colocar qualquer estado extra que desejar em seu tipo de abi_guard.

Caso você não defina seu próprio abi_guard, existe um padrão que chama abi_enter na construção e abi_exit na destruição.

Essas proteções são usadas somente quando um método é invocado por meio da interface projetada. Caso você invoque métodos diretamente no objeto de implementação, essas chamadas vão diretamente para a implementação, sem nenhuma proteção.

Aqui está um exemplo de código.

struct Sample : SampleT<Sample, IClosable>
{
    void abi_enter();
    void abi_exit();

    void Close();
};

void example1()
{
    auto sampleObj1{ winrt::make<Sample>() };
    sampleObj1.Close(); // Calls abi_enter and abi_exit.
}

void example2()
{
    auto sampleObj2{ winrt::make_self<Sample>() };
    sampleObj2->Close(); // Doesn't call abi_enter nor abi_exit.
}

// A guard is used only for the duration of the method call.
// If the method is a coroutine, then the guard applies only until
// the IAsyncXxx is returned; not until the coroutine completes.

IAsyncAction CloseAsync()
{
    // Guard is active here.
    DoWork();

    // Guard becomes inactive once DoOtherWorkAsync
    // returns an IAsyncAction.
    co_await DoOtherWorkAsync();

    // Guard is not active here.
}