Данная серия статей будет посвящена возможности создания декоратора в языке С++, особенностям их работы в Python, а также будет рассмотрен один из вариантов реализации данного функционала в собственном компилируемом языке, посредством применения общего подхода для создания замыканий — closure conversion и модернизации синтаксического дерева.

Декоратор в С++

Все началось с того, что мой товарищ VoidDruid решил в качестве диплома написать небольшой компилятор, ключевой фичей которого являются декораторы. Еще во время предзащиты, когда он расписывал все преимущества его подхода, заключавшегося в изменении AST, мне стало интересно: а неужели в великом и могучем С++ невозможно реализовать эти самые декораторы и обойтись без всяких сложных терминов и подходов? Прогуглив эту тему, я не нашел никаких простых и общих подходов к решению данной проблемы (к слову сказать, попадались лишь только статьи про реализацию паттерна проектирования) и тогда засел за написание своего собственного декоратора.

Однако перед тем, как перейти к непосредственному описанию моей реализации, я бы хотел рассказать немного про то, как устроены лямбды и замыкания в С++ и какая между ними разница. Сразу оговорюсь, что если нет никаких упоминаний конкретного стандарта, то по умолчанию имеется в виду С++20. Если говорить коротко, то лямбды – это анонимные функции, а замыкания, функции, которые используют объекты из своего окружения. Так например, начиная с С++11, лямбду можно объявить и вызвать так:

int main() 
{
    [] (int a) 
    {
        std::cout << a << std::endl;
    }(10);
}

int main() 
{
    auto lambda = [] (int a) 
    {
        std::cout << a << std::endl;
    };
    lambda(10);
}

class __lambda_60_19
{
public: 
    inline void operator()(int a) const
    {
        std::cout.operator<<(a).operator<<(std::endl);
    }
    
    using retType_60_19 = void (*)(int);
    inline operator retType_60_19 () const noexcept
    {
        return __invoke;
    };
    
private: 
    static inline void __invoke(int a)
    {
        std::cout.operator<<(a).operator<<(std::endl);
    }    
};

void (*p_lambda) (int) = lambda;
p_lambda(10);

int main()
{
    int a = 10;
    auto closure = [&a] () { a += 1; };
    closure();
}

class __lambda_61_20
{
public:
    inline void operator()()
    {
        a += 1;
    }
private:
    int & a;
public:
    __lambda_61_20(int & _a)
    : a{_a}
    {}
};

Как вы можете заметить, у нас добавился новый, не дефолтный конструктор, принимающий наш параметр по ссылке и сохраняющий его как член класса. Собственно, именно поэтому нужно быть предельно внимательным при выставлении [&] или [=], ведь весь контекст замыкание будет хранить внутри себя, а это может быть довольно неоптимально по памяти. Кроме того, у нас пропал оператор приведения к указателю на функцию, ведь теперь для ее нормального вызова необходим контекст. И теперь вышеописанный код не скомпилируется:

int main()
{
    int a = 10;
    auto closure = [&a] () { a += 1; };
    closure();
    void (*ptr)(int) = closure;
}

std::function<void()> function = closure;
function();

namespace Decorator
{
    template<typename R, typename ...Args>
    static auto make(const std::function<R(Args...)>& f)
    {
        std::cout << "Do something" << std::endl;
        return [=](Args... args) 
        {
            return f(std::forward<Args>(args)...);
        };
    }
};

void myFunc(int a)
{
    std::cout << "here" << std::endl;
}

int main()
{
    std::function<void(int)> f = myFunc;
    auto decorated = Decorator::make(f);
    decorated(10);
}

1. Этот код может собраться только при версии С++14 и выше, так как невозможно узнать заранее возвращаемый тип. К сожалению, с этим придется жить и я не нашел других вариантов.
2. make требует, чтобы ему передавали именно std::function, а передача функции по имени приводит к ошибкам компиляции. И это совсем не так удобно, как хотелось бы! Мы не можем писать код наподобие этого:
   
   

   Decorator::make([](){});
   Decorator::make(myFunc);
   void(*ptr)(int) = myFunc;
   Decorator::make(ptr);

   
   
3. Также, невозможно задекорировать метод класса.
   

namespace Decorator
{
    template<typename Function>
    static auto make(Function&& func)
    {
        return [func = std::forward<Function>(func)] (auto && ...args) 
        {
            std::cout << "Do something" << std::endl;
            return std::invoke(
                func,
                std::forward<decltype(args)>(args)...
            );
        };
    }
};

int main()
{
    auto decorated_1 = Decorator::make(myFunc);
    decorated_1(1,2);

    auto my_lambda = [] (int a, int b) 
    { 
        std::cout << a << " " << b <<std::endl; 
    };
    auto decorated_2 = Decorator::make(my_lambda);
    decorated_2(3,4);

    int (*ptr)(int, int) = myFunc;
    auto decorated_3 = Decorator::make(ptr);
    decorated_3(5,6);

    std::function<void(int, int)> fun = myFunc;
    auto decorated_4 = Decorator::make(fun);
    decorated_4(7,8);

    auto decorated_5 = Decorator::make(decorated_4);
    decorated_5(9, 10);

    auto decorated_6 = Decorator::make(&MyClass::func);
    decorated_6(MyClass(10));
}

namespace Decorator
{
    template<typename Function>
    static auto make(Function&& func)
    {
        return [func = std::forward<Function>(func)] 
        <typename ...Args> (Args && ...args) 
        {
            return std::invoke(
                func,
                std::forward<Args>(args)...
            );
        };
    }
};