Added further Policy Framework clarification
[senf.git] / Socket / SocketPolicy.hh
1 // $Id$
2 //
3 // Copyright (C) 2006
4 // Fraunhofer Institut fuer offene Kommunikationssysteme (FOKUS)
5 // Kompetenzzentrum fuer Satelitenkommunikation (SatCom)
6 //     Stefan Bund <stefan.bund@fokus.fraunhofer.de>
7 //
8 // This program is free software; you can redistribute it and/or modify
9 // it under the terms of the GNU General Public License as published by
10 // the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
11 // (at your option) any later version.
12 //
13 // This program is distributed in the hope that it will be useful,
14 // but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
15 // MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
16 // GNU General Public License for more details.
17 //
18 // You should have received a copy of the GNU General Public License
19 // along with this program; if not, write to the
20 // Free Software Foundation, Inc.,
21 // 59 Temple Place - Suite 330, Boston, MA  02111-1307, USA.
22
23 /** \file
24     \brief Policy Framework public header
25
26     \todo We should probably remove BufferingPolicy from the interface, it does not make much sense
27         (how did I come to include it ??)
28
29     \todo Do we want to support separate read and write policies. This allows to treat pipes within
30         this framework however, is this worth the effort?
31
32     \idea Creating a new Socket will create 4 (!) new instances (The handle, the body, the policy
33         and the protocol) of which 3 (argh) (body, policy and protocol) live on the heap. This is
34         expensive. We should convert all the policy classes to singletons and assign the same
35         instance to all socket bodies with the same policy. This would reduce the number of heap
36         allocations per socket handle to two.
37  */
38
39 /** \defgroup policy_group The Policy Framework
40
41     \image html SocketPolicy.png
42
43     \section policy_group_introduction Introduction to the Policy Framework
44
45     The policy framework conceptually implements a list of parallel inheritance hierarchies each
46     covering a specific interface aspect of the socket handle. The socket handle itself only
47     provides minimal functionality. All further functionality is relayed to a policy class, or more
48     precisely, to a group of policy classes, one for each policy axis. The policy axis are
49
50     <dl><dt><em>addressingPolicy</em></dt><dd>configures, whether a socket is addressable and if
51     so, configures the address type</dd>
52
53     <dt><em>framingPolicy</em></dt> <dd>configures the type of framing the socket provides: either
54     no framing providing a simple i/o stream or packet framing</dd>
55
56     <dt><em>communicationPolicy</em></dt><dd>configures,if and how the communication partner is
57     selected</dd>
58
59     <dt><em>readPolicy</em></dt><dd>configures the readability of the socket</dd>
60
61     <dt><em>writePolicy</em></dt><dd>configures the writability of the socket</dd>
62
63     <dt><em>bufferingPolicy</em></dt><dd>configures, if and how buffering is configured for a
64     socket</dd> </dl>
65
66     The template senf::SocketPolicy combines these policy axis to form a concrete socket policy. In
67     a concrete policy, each of these policy axis is assigned a value, the policy value. This value
68     is identified by a class type, a policy class. E.g. possible values for <em>framingPolicy</em>
69     are <tt>DatagramFramingPolicy</tt> or <tt>StreamFramingPolicy</tt> which are classes derived
70     from the axis base class <tt>FramingPolicyBase</tt>. This base class also doubles as
71     <tt>UnspecifiedFramingPolicy</tt> (which is just a typedef alias).  If a policy axis is assigned
72     this Unspecified type, the axis is left unspecified, the concrete policy will be incomplete.
73     
74     The senf::SocketPolicy template defines the behavior of a socket handle. The socket handle
75     instances do not implement any socket functionality themselves instead defering the
76     implementation to the policy classes. The SocketHandle interface is therefore \e not implemented
77     using virtual members, all important socket functions can be inlined by the compiler to create
78     highly efficient code.
79
80     A senf::SocketPolicy instance can be incomplete. In this case it does \e not completely specify
81     the socket interface, it leaves some aspects open by assigning the Unspecified value to one or
82     more of the policy axis. A senf::SocketHandle based on such a policy will have a reduced
83     interface: It will only support those members for wich the corresponding policies are defined.
84
85     To build a senf::SocketPolicy instance the senf::MakeSocketPolicy helper is provided. This
86     helper template takes any number (it is really limited to 6 Arguments but more arguments don't
87     make sense) of policy classes as it's argument. The MakeSocketPolicy helper will take the
88     arguments in the order they are specified and for each argument will check to which axis the
89     policy class belongs (by checking the base classes of that class) and assign it to the correct
90     policy axis in the senf::SocketPolicy template. If any policy axis are not specified, they are
91     defaulted to their corresponding Unspecified value. This helper frees you to specify the policy
92     classes in any order. An additional feature is, that you may specify a complete policy as a
93     first argument. This policy will then be used to provide default values for unspecified axis.
94
95     Two senf::SocketHandle's with different policies can be \e compatible. If they are, the more
96     specific SocketHandle can be converted (assigned to) the more basic SocketHandle. A SocketHandle
97     is more specific then another SocketHandle if the policy of the former is more specific then
98     that of the latter which means, that for each policy axis separately, the value of that axis of
99     the more specific policy is derived from or the same as the value of that axis in the more basic
100     policy. This is like converting a derived class pointer to a base class pointer, only it happens
101     separately but at the same time for each policy axis:
102
103     \code
104     // This defines an incomplete policy where addressingPolicy, writePolicy and bufferingPolicy
105     // are unspecified
106     typedef senf::MakeSocketPolicy<
107         senf::StreamFramingPolicy,
108         senf::ConnectedCommunicationPolicy,
109         senf::ReadablePolicy
110         >::policy MyReadableSocketPolicy
111
112     typedef senf::ClientSocketHandle<MyReadableSocketPolicy> MyReadableHandle;
113
114     // TCPv4ClientSocketHandle is a socket handle with the policy equivalent to
115     // senf::MakeSocketPolicy<
116     //     INet4AddressingPolicy,
117     //     StreamFramingPolicy,
118     //     ConnectedCommunicationPolicy,
119     //     ReadablePolicy,
120     //     WritablePolicy,
121     //     SocketBufferingPolicy>::policy
122     senf::TCPv4ClientSocketHandle tcpHandle (...);
123
124     MyReadableHandle myHandle (tcpHandle); // Conversion to more basic socket handle
125     \endcode
126
127     \section policy_group_details The Policy Framework Classes
128
129     In the following discussion, deeper insight into C++ and especially the concepts of template
130     meta-programming are needed. Hoewever, this information is only needed if you want to write new
131     policy classes or want to use the policy framework explicitly for your own involved
132     optimizations ... or if you are just plain curious :-)
133     
134     In the following discussion we will use the following conventions:
135     \li \e Axis is one or \c AddressingPolicy, \c FramingPolicy, \c CommunicationPolicy, \c
136         ReadPolicy, \c WritePolicy or \c BufferingPolicy
137     \li \e socketPolicy is any socket policy (that is, an instantiation of the SocketPolicy
138         template)
139     \li \e trait is an any policy class (that is, any class derived from one of the axis base
140         classes)
141
142     Each axis is comprised of a number of classes and templates (all in namespace senf of course):
143
144     <dl><dt>\e Axis \c Base (ex: AddressingPolicyBase)</dt><dd>Baseclass of all policies in this
145     axis</dd>
146
147     <dt>\c Unspecified \e Axis (ex: \ref UnspecifiedAddressingPolicy)</dt> <dd>An alias (typedef)
148     for \e Axis \c Base</dd>
149
150     <dt>\e Axis \c Is < \e socketPolicy, \e trait > (ex: AddressingPolicyIs)</dt> <dd>A template
151     metafunction returning \c boost::true_type, if \e trait (any class derived from \e Axis \c
152     Base) is a compatible policy value of the given \e socketPolicy</dd>
153
154     <dt>\c If \e Axis \c Is < \e socketPolicy, \e trait > (ex: IfAddressingPolicyIs)</dt> <dd>This
155     is a combination of \e Axis \c Is and \c boost::enable_if</dd>
156
157     <dt>\c If \e Axis \c IsNot < \e socketPolicy, \e trait > (ex: IfAddressingPolicyIsNot)</dt>
158     <dd>The inverse of above</dd> </dl>
159
160     These classes form the basis of the policy framework. To bind the policy axis together, there
161     are some more classes and templates.
162
163     <dl><dt>\c class \c SocketPolicyBase</dt> <dd>This class is the base class of the SocketPolicy
164     template. It is used to validate, that a class is really a SocketPolicy (by checking, that it
165     derives from SocketPolicyBase. This is simpler than chacking the template directly).</dd>
166
167     <dt>\c template \c SocketPolicy < \e addressingPolicy, \e framingPolicy, \e communicationPolicy,
168     \e readPolicy, \e writePolicy, \e bufferingPolicy ></dt> <dd>This is the central SocketPolicy
169     template. It combines a complete set of policy classes, one for each axis.</dd>
170
171     <dt>\c template \c MakeSocketPolicy < \e args ></dt> <dd>\c MakeSocketPolicy is a template
172     metafunction which simplifies building SocketPolicy instantiations. It takes any number (ok, up
173     to a maximum of 6) of policy classes as an argument (in any order). It will sort these arguments
174     into the SocketPolicy template arguments. If for some axis no class is specified, it's slot will
175     be filled with \c Unspecified \e Axis. Additionally, the first Argument may optionally be ab
176     arbitrary SocketPolicy. It will provide default values for unspecified axis</dd>
177
178     <dt>\c template \c SocketPolicyIsBaseOf < \e base, \e derived ></dt> <dd>This template
179     metafunction will check, wether the socket policy \e derived is convertible to \e base. This
180     means, that for each axis, the corresponding policy class in \e derived must be derived or be
181     the same as the one on \e base.</dd> </dl>
182
183     \implementation All these classes are created automatically. The \c SENF_SOCKET_POLICIES makro
184     is a Boost.Preprocessor style sequence listing all policy axis. The Boost.Preprocessor library
185     is then used to generate the respective classes.
186
187     \section policy_implement Implementing Policy Classes
188
189     To define a new policy class, derive from the corresponding base class for your policy
190     axies. The only policy axis which might possibly need to be extended are the addressing policy
191     (AddressingPolicyBase) and the buffering policy (BufferingPolicyBase). See the Documentation of
192     these classes for more information on which members can be implemented.
193
194     All members you define must be static. For any of the policy classes, you must only define those
195     members which are supported by your implementation. If you leave out a member you automatically
196     disable the corresponding functionality in the ClientSocketHandle/ServerSocketHandle interface.
197
198     The member prototypes given in the base class documentation only specify the call signature not
199     the way, the member must be defined (FileHandle really is not a FileHandle but an arbitrary
200     SocketHandle).
201
202     If the existence of a member depends on other policies, you should use the
203     <code>If</code><i>SomePolicy</i><code>Is</code> and
204     <code>If</code><i>SomePolicy</i><code>IsNot</code> templates to dynamically enable/disable the
205     member depending on some other policy:
206
207     \code
208       struct ExampleAddressingPolicy
209       {
210           template <class Policy>
211           void connect(senf::SocketHandle<Policy> handle, Address & addr,
212                        typename senf::IfCommmunicationPolicyIs<
213                            Policy, senf::ConnectedCommunicationPolicy>::type * = 0);
214       };
215     \endcode
216
217     The \c connect member in this example will only be enabled, it the communication policy of the
218     socket handle is ConnectedCommunicationPolicy (or a derived type). See <a
219     href="http://www.boost.org/libs/utility/enable_if.html">Boost.Enable_If</a> for a discussion of
220     the third argument (\c senf::ConnectedCommunicationPolicyIs is based on the \c boost::enable_if
221     template).
222
223     \see \ref extend_policy \n
224          <a href="http://www.boost.org/libs/utility/enable_if.html">The Boost enable_if utility</a> \n
225          <a href="http://www.boost.org/libs/mpl/doc/index.html">The Boost.MPL library</a> \n
226          <a href="http://www.boost.org/libs/preprocessor/doc/index.html">The Boost.Preprocessor library</a>
227
228     \idea We could combine all the \e Axis \c Is templates into a single template. Since the \e
229     trait argument will automatically specify the axis to be used, it is not necessary to specify
230     that axis in the tempalte functor's name. We could even combine this with \c
231     SocketPolicyIsBaseOf.
232  */
233
234 /** \defgroup policy_impl_group Policy Implementation classes
235     \ingroup policy_group
236
237     Here you will find all policy classes. Also included are some supporting classes which are used
238     as base classes to build other policy classes.
239  */
240
241 #ifndef HH_SocketPolicy_
242 #define HH_SocketPolicy_ 1
243
244 // Custom includes
245
246 #include "GenericSockAddr.hh"
247
248 //#include "SocketPolicy.mpp"
249 ///////////////////////////////hh.p////////////////////////////////////////
250
251 namespace senf {
252
253     /// \addtogroup policy_group
254     /// @{
255
256     // This may be adapted to change the supported policies (however, ClientSocketHandle and
257     // ServerSocketHandle will probably have to be adjusted accordingly)
258
259     /** \brief List all policy axis
260
261         \internal
262
263         This define symbol is used to configure the policy axis. The base class for each of these
264         axis must be defined explicitly (e.g. AddressingPolicyBase). The implementation files will
265         then automatically generate all the other classes from this list.
266
267         \see policy_group
268      */
269 #   define SENF_SOCKET_POLICIES                 \
270         (AddressingPolicy)                      \
271         (FramingPolicy)                         \
272         (CommunicationPolicy)                   \
273         (ReadPolicy)                            \
274         (WritePolicy)                           \
275         (BufferingPolicy)
276
277     // Wer define these classes explicitly (and not with some macro
278     // magic) because
279     // a) AddressingPolicyBase is different from all the others
280     // b) We want to document each one explicitly
281
282     /** \brief Policy defining socket addressing
283
284         AddressingPolicyBase is the baseclass of all addressing policy classes. When defining a new
285         addressing policy, the following members can be defined. All methods must be static.
286
287         <table class="senf">
288         <tr><td>typedef</td> <td><tt>Address</tt></td>                                   <td>Address type</td></tr>
289         <tr><td>method</td>  <td><tt>void local(FileHandle, Address &)</tt></td>         <td>Get local socket address</td></tr>
290         <tr><td>method</td>  <td><tt>void peer(FileHandle, Address &)</tt></td>          <td>Get remote socket address</td></tr>
291         <tr><td>method</td>  <td><tt>void bind(FileHandle, Address const &)</tt></td>    <td>Bind socket to local address</td></tr>
292         <tr><td>method</tr>  <td><tt>void connect(FileHandle, Address const &)</tt></td> <td>Connect to remote address</td></tr>
293         </table>
294
295         \see policy_group
296      */
297     struct AddressingPolicyBase
298     {
299         virtual ~AddressingPolicyBase() {}
300
301         typedef GenericSockAddr Address;
302     };
303
304     /** \brief Policy defining the framing format
305
306         This policy does not define any operations since it does have no influence on any method
307         signature. It does however affect the semantics of the \c read() and \c write() operations.
308
309         \note This policy axis probably only has two sensible statess: StreamFramingPolicy and
310         DatagramFramingPolicy.
311
312         \see policy_group
313      */
314     struct FramingPolicyBase
315     {
316         virtual ~FramingPolicyBase() {}
317     };
318
319     /** \brief Policy defining, how peers are selected
320
321         The CommunicationPolicy may define two members:
322
323         <table class="senf">
324         <tr><td>method</td> <td><tt>void listen(FileHandle, unsigned backlog)</tt></td> <td>Switch socket into listening state</td></tr>
325         <tr><td>method</td> <td><tt>int accept(FileHandle, Address &)</tt></td>         <td>Accept a new connection</td></tr>
326         </table>
327
328         The \c listen member is straight forward. The \c accept() member must return a new file
329         descriptor (which will be used to create a new SocketHandle of the correct
330         type). Additionally, accept() should only be defined, if the Addressing policy is not \c
331         NoAddressingPolicy (which together with ConnectedCommunicationPolicy would identify a
332         point-to-point link with fixed communication partners).
333
334         \note This Policy only has two meaningful states: ConnectedCommunicationPolicy and
335         UnconnectedCommunicationPolicy. It is probably not sensible to define a new
336         CommunicationPolicy type.
337
338         \see policy_group
339      */
340     struct CommunicationPolicyBase
341     {
342         virtual ~CommunicationPolicyBase() {}
343     };
344
345     /** \brief Policy defining the readability
346
347         The ReadPolicy defines, wether the socket is readable. It may define two members:
348
349         <table class="senf">
350         <tr><td>method</td> <td><tt>unsigned read(FileHandle, char * buffer, unsigned size)</tt></td>                <td>read data from socket</td></tr>
351         <tr><td>method</td> <td><tt>unsigned readfrom(FileHandle, char * buffer, unsigned size, Address &)</tt></td> <td>read data from unconnected socket</td></tr>
352         </table>
353
354         The second member should only be enabled if the communication policy is
355         UnconnectedCommunication (otherwise it does not make sense since the communication partner
356         is fixed) (see AddressingPolicyBase on how to do this).
357
358         \note This Policy only has two meaningful states: ReadablePolicy and NotReadablePolicy. It
359         probably does not make sense to define new read policy types.
360
361         \see policy_group
362      */
363     struct ReadPolicyBase
364     {
365         virtual ~ReadPolicyBase() {}
366     };
367
368     /** \brief Policy defining the writability
369
370         The WritePolicy defines, wether the socket is writable. It may define two members:
371
372         <table class="senf">
373         <tr><td>method</td> <td><tt>unsigned write(FileHandle, char * buffer, unsigned size)</tt></td>              <td>read data from socket</td></tr>
374         <tr><td>method</td> <td><tt>unsigned writeto(FileHandle, char * buffer, unsigned size, Address &)</tt></td> <td>read data from unconnected socket</td></tr>
375         </table>
376
377         The second member should only be enabled if the communication policy is
378         UnconnectedCommunication (otherwise it does not make sense since the communication partner
379         is fixed) (see AddressingPolicyBase on how to do this).
380
381         \note This Policy only has two meaningful states: WritablePolicy and NotWritablePolicy. It
382         probably does not make sense to define new write policy types.
383
384         \see policy_group
385      */
386     struct WritePolicyBase
387     {
388         virtual ~WritePolicyBase() {}
389     };
390
391     /** \brief Policy defining the buffering interface
392
393         The BufferingPolicy defines the buffer handling of the socket. It may provide the follogin
394         members:
395
396         \see policy_group
397      */
398     struct BufferingPolicyBase
399     {
400         virtual ~BufferingPolicyBase() {}
401     };
402
403     // The implementation file will for each Policy declared above
404     // define the following (SomePolicy is one of the above):
405     //
406     // struct SomePolicyBase;
407     // typedef UndefinedSomePolicy;
408     // template SomePolicyIs< SocketPolicy, Axis >
409     // template IfSomePolicyIs< SocketPolicy, Axis >
410     // template IfSomePolicyIsNot< SocketPolicy, Axis >
411     //
412     // Additionally the following are defined:
413     //
414     // class SocketPolicyBase
415     // template SocketPolicy< ..policies.. >
416     // template MakeSocketPolicy< ..args.. >
417     // template SocketPolicyIsBaseOf< Base, Derived >
418
419 #   ifdef DOXYGEN
420
421     // The following stub definitions are only visible to doxygen
422
423     /** \brief Alias of AddressingPolicyBase for better readability
424         \see \ref policy_group
425      */
426     typedef AddressingPolicyBase UnspecifiedAddressingPolicy;
427
428     /** \brief Check single policy axis
429
430         This template is an example of the \e Axis \c Is family of tempalte metafunctions. It will
431         check, wether \c Trait is a valid compatible Policy class of \c SocketPolicy. \c Trait must
432         be derived from AddressingPolicyBase (respectively \i Policy \c Base).
433
434         \see \ref policy_group
435      */
436     template <class SocketPolicy, class Trait>
437     struct AddressingPolicyIs
438     {};
439
440     /** \brief Enable template overload depending on policy value
441
442         This template is an exmaple of the \c If \e Axis \c Is family of templates. It is used like
443         <a href="http://www.boost.org/libs/utility/enable_if.html">Boost.enable_if</a> to enable a
444         templated overload only, if the AddressingPolicy of \e Axis is compatible with \c Trait
445         (that is the AddressingPolicy of \c Policy is derived from \c Trait).
446
447         \see policy_group
448      */
449     template <class SocketPolicy, class Trait>
450     struct IfAddressingPolicyIs
451     {};
452
453     /** \brief Inversion of \c IfAddressingPolicyIs
454         \see policy_group
455      */
456     template <class SocketPolicy, class Trait>
457     struct IfAddressingPolicyIsNot
458     {};
459
460     /** \brief Baseclass of all SocketPolicies
461
462         \internal
463
464         This class provides the baseclass of all socket policies (bundles). It serves two purposes:
465         \li It allows us to easily identify a socket policy bundle by checking a classes baseclass.
466         \li It provides an abstract (virtual) interface to access the policy axes
467
468         \see policy_group
469      */
470     struct SocketPolicyBase
471     {
472         /** \brief Polymorphic access to policy axes
473
474             This is an example of a policy axes accessor. It returns a reference to the policy axes
475             used by the conrecte protocol bundle. This reference can then be checked using RTTI
476             information.
477          */
478         AddressingPolicyBase const & theAddressingPolicy() const = 0;
479     };
480
481     /** \brief Collection of policy classes
482
483         The SocketPolicy template defines the complete Policy used by the socket library. It
484         contains one policy class for each policy axis. This template takes one policy from each
485         axis as it's template arguments (this example implementation only has AddressingPolicy as an
486         argument).
487
488         A SocketPolicy can be complete or incomplete. An incomplete SocketPolicy will have at least
489         one axis set to \c Undefined \e Axis (or a generic derived class which is used to group some
490         other policies but does not (completely) define the policy behavior). A complete
491         SocketPolicy will have a concrete definition of the desired behavior for each policy axis.
492
493         \see policy_group
494      */
495     template < class AddressingPolicy >
496     struct SocketPolicy
497     {
498         /** \brief Check dynamic policy compatibility
499
500             This method will check the socket policy \a other against this policy. It will check,
501             wether \a other is a base policy (or the same) of this policy. This check is done
502             against the \e dynamic type of \a other using RTTI. It will throw \c std::bad_cast, if
503             the policy is not compatible.
504
505             \param[in] other SocketPolicy to check
506             \throws std::bad_cast if \a other is not a compatible policy
507          */
508         static void checkBaseOf(SocketPolicyBase const & other);
509     };
510
511     /** \brief Metafunction to create SocketPolicy
512
513         This template metafunction simplifies the creation of a SocketPolicy instantiation. It takes
514         any number (that is up to 6) of Policy classes as arguments in any Order. It will create a
515         SocketPolicy from these policy classes. Any axis not specified will be left as \c
516         Unspecified \e Axis.
517
518         \see policy_group
519      */
520     template <class Arg1, class Arg2, class ArgN>
521     struct MakeSocketPolicy
522     {};
523
524     /** \brief Check policy compatibility
525
526         This tempalte metafunction checks, wether the SocketPolicy \c Derived is more specialized
527         than \c Base (and therefore a SocketHandle with policy \c Derived is convertible to a
528         SocketHandle with policy \c Base).
529
530         The metafunction will return true (that is inherits from \c boost::true_type, see the <a
531         href="http://www.boost.org/libs/mpl/doc/index.html">Boost.MPL</a> library documentation for
532         more information) if each policy class in \c Base is a baseclass of (or the same as) the
533         corresponding policy class in \c Derived.
534
535         \see policy_group
536      */
537     template <class Base, class Derived>
538     struct SocketPolicyIsBaseOf
539     {};
540
541 #   endif
542
543     /// @}
544 }
545
546 //////////////////////////////hh.e////////////////////////////////////////
547 #include "SocketPolicy.ih"
548 //#include "SocketPolicy.cci"
549 #include "SocketPolicy.ct"
550 //#include "SocketPolicy.cti"
551 #endif
552
553 \f
554 // Local Variables:
555 // mode: c++
556 // fill-column: 100
557 // c-file-style: "senf"
558 // indent-tabs-mode: nil
559 // ispell-local-dictionary: "american"
560 // End: