Added Socket Library overview documentation
[senf.git] / Socket / SocketPolicy.hh
index 91ee1bf..507eafd 100644 (file)
@@ -1,6 +1,6 @@
 // $Id$
 //
-// Copyright (C) 2006 
+// Copyright (C) 2006
 // Fraunhofer Institut fuer offene Kommunikationssysteme (FOKUS)
 // Kompetenzzentrum fuer Satelitenkommunikation (SatCom)
 //     Stefan Bund <stefan.bund@fokus.fraunhofer.de>
 // Free Software Foundation, Inc.,
 // 59 Temple Place - Suite 330, Boston, MA  02111-1307, USA.
 
+/** \file
+    \brief Policy Framework public header
+
+    \todo We should probably remove BufferingPolicy from the interface, it does not make much sense
+        (how did I come to include it ??)
+
+    \todo Do we want to support separate read and write policies. This allows to treat pipes within
+        this framework however, is this worth the effort?
+
+    \idea Creating a new Socket will create 4 (!) new instances (The handle, the body, the policy
+        and the protocol) of which 3 (argh) (body, policy and protocol) live on the heap. This is
+        expensive. We should convert all the policy classes to singletons and assign the same
+        instance to all socket bodies with the same policy. This would reduce the number of heap
+        allocations per socket handle to two.
+ */
+
+/** \defgroup policy_group The Policy Framework
+
+    \image html SocketPolicy.png
+
+    \section policy_group_introduction Introduction to the Policy Framework
+
+    The policy framework conceptually implements a list of parallel inheritance hierarchies each
+    covering a specific interface aspect of the socket handle. The socket handle itself only
+    provides minimal functionality. All further functionality is relayed to a policy class, or more
+    precisely, to a group of policy classes, one for each policy axis. The policy axis are
+
+    <dl><dt><em>addressingPolicy</em></dt><dd>configures, whether a socket is addressable and if
+    so, configures the address type</dd>
+
+    <dt><em>framingPolicy</em></dt> <dd>configures the type of framing the socket provides: either
+    no framing providing a simple i/o stream or packet framing</dd>
+
+    <dt><em>communicationPolicy</em></dt><dd>configures,if and how the communication partner is
+    selected</dd>
+
+    <dt><em>readPolicy</em></dt><dd>configures the readability of the socket</dd>
+
+    <dt><em>writePolicy</em></dt><dd>configures the writability of the socket</dd>
+
+    <dt><em>bufferingPolicy</em></dt><dd>configures, if and how buffering is configured for a
+    socket</dd> </dl>
+
+    The template senf::SocketPolicy combines these policy axis to form a concrete socket policy. In
+    a concrete policy, each of these policy axis is assigned a value, the policy value. This value
+    is identified by a class type, a policy class. E.g. possible values for <em>framingPolicy</em>
+    are <tt>DatagramFramingPolicy</tt> or <tt>StreamFramingPolicy</tt> which are classes derived
+    from the axis base class <tt>FramingPolicyBase</tt>. This base class also doubles as
+    <tt>UnspecifiedFramingPolicy</tt> (which is just a typedef alias).  If a policy axis is assigned
+    this Unspecified type, the axis is left unspecified, the concrete policy will be incomplete.
+    
+    The senf::SocketPolicy template defines the behavior of a socket handle. The socket handle
+    instances do not implement any socket functionality themselves instead defering the
+    implementation to the policy classes. The SocketHandle interface is therefore \e not implemented
+    using virtual members, all important socket functions can be inlined by the compiler to create
+    highly efficient code.
+
+    A senf::SocketPolicy instance can be incomplete. In this case it does \e not completely specify
+    the socket interface, it leaves some aspects open by assigning the Unspecified value to one or
+    more of the policy axis. A senf::SocketHandle based on such a policy will have a reduced
+    interface: It will only support those members for wich the corresponding policies are defined.
+
+    To build a senf::SocketPolicy instance the senf::MakeSocketPolicy helper is provided. This
+    helper template takes any number (it is really limited to 6 Arguments but more arguments don't
+    make sense) of policy classes as it's argument. The MakeSocketPolicy helper will take the
+    arguments in the order they are specified and for each argument will check to which axis the
+    policy class belongs (by checking the base classes of that class) and assign it to the correct
+    policy axis in the senf::SocketPolicy template. If any policy axis are not specified, they are
+    defaulted to their corresponding Unspecified value. This helper frees you to specify the policy
+    classes in any order. An additional feature is, that you may specify a complete policy as a
+    first argument. This policy will then be used to provide default values for unspecified axis.
+
+    Two senf::SocketHandle's with different policies can be \e compatible. If they are, the more
+    specific SocketHandle can be converted (assigned to) the more basic SocketHandle. A SocketHandle
+    is more specific then another SocketHandle if the policy of the former is more specific then
+    that of the latter which means, that for each policy axis separately, the value of that axis of
+    the more specific policy is derived from or the same as the value of that axis in the more basic
+    policy. This is like converting a derived class pointer to a base class pointer, only it happens
+    separately but at the same time for each policy axis:
+
+    \code
+    // This defines an incomplete policy where addressingPolicy, writePolicy and bufferingPolicy
+    // are unspecified
+    typedef senf::MakeSocketPolicy<
+        senf::StreamFramingPolicy,
+        senf::ConnectedCommunicationPolicy,
+        senf::ReadablePolicy
+        >::policy MyReadableSocketPolicy
+
+    typedef senf::ClientSocketHandle<MyReadableSocketPolicy> MyReadableHandle;
+
+    // TCPv4ClientSocketHandle is a socket handle with the policy equivalent to
+    // senf::MakeSocketPolicy<
+    //     INet4AddressingPolicy,
+    //     StreamFramingPolicy,
+    //     ConnectedCommunicationPolicy,
+    //     ReadablePolicy,
+    //     WritablePolicy,
+    //     SocketBufferingPolicy>::policy
+    senf::TCPv4ClientSocketHandle tcpHandle (...);
+
+    MyReadableHandle myHandle (tcpHandle); // Conversion to more basic socket handle
+    \endcode
+
+    \section policy_group_details The Policy Framework Classes
+
+    In the following discussion, deeper insight into C++ and especially the concepts of template
+    meta-programming are needed. Hoewever, this information is only needed if you want to write new
+    policy classes or want to use the policy framework explicitly for your own involved
+    optimizations ... or if you are just plain curious :-)
+    
+    In the following discussion we will use the following conventions:
+    \li \e Axis is one or \c AddressingPolicy, \c FramingPolicy, \c CommunicationPolicy, \c
+        ReadPolicy, \c WritePolicy or \c BufferingPolicy
+    \li \e socketPolicy is any socket policy (that is, an instantiation of the SocketPolicy
+        template)
+    \li \e trait is an any policy class (that is, any class derived from one of the axis base
+        classes)
+
+    Each axis is comprised of a number of classes and templates (all in namespace senf of course):
+
+    <dl><dt>\e Axis \c Base (ex: AddressingPolicyBase)</dt><dd>Baseclass of all policies in this
+    axis</dd>
+
+    <dt>\c Unspecified \e Axis (ex: \ref UnspecifiedAddressingPolicy)</dt> <dd>An alias (typedef)
+    for \e Axis \c Base</dd>
+
+    <dt>\e Axis \c Is < \e socketPolicy, \e trait > (ex: AddressingPolicyIs)</dt> <dd>A template
+    metafunction returning \c boost::true_type, if \e trait (any class derived from \e Axis \c
+    Base) is a compatible policy value of the given \e socketPolicy</dd>
+
+    <dt>\c If \e Axis \c Is < \e socketPolicy, \e trait > (ex: IfAddressingPolicyIs)</dt> <dd>This
+    is a combination of \e Axis \c Is and \c boost::enable_if</dd>
+
+    <dt>\c If \e Axis \c IsNot < \e socketPolicy, \e trait > (ex: IfAddressingPolicyIsNot)</dt>
+    <dd>The inverse of above</dd> </dl>
+
+    These classes form the basis of the policy framework. To bind the policy axis together, there
+    are some more classes and templates.
+
+    <dl><dt>\c class \c SocketPolicyBase</dt> <dd>This class is the base class of the SocketPolicy
+    template. It is used to validate, that a class is really a SocketPolicy (by checking, that it
+    derives from SocketPolicyBase. This is simpler than chacking the template directly).</dd>
+
+    <dt>\c template \c SocketPolicy < \e addressingPolicy, \e framingPolicy, \e communicationPolicy,
+    \e readPolicy, \e writePolicy, \e bufferingPolicy ></dt> <dd>This is the central SocketPolicy
+    template. It combines a complete set of policy classes, one for each axis.</dd>
+
+    <dt>\c template \c MakeSocketPolicy < \e args ></dt> <dd>\c MakeSocketPolicy is a template
+    metafunction which simplifies building SocketPolicy instantiations. It takes any number (ok, up
+    to a maximum of 6) of policy classes as an argument (in any order). It will sort these arguments
+    into the SocketPolicy template arguments. If for some axis no class is specified, it's slot will
+    be filled with \c Unspecified \e Axis. Additionally, the first Argument may optionally be ab
+    arbitrary SocketPolicy. It will provide default values for unspecified axis</dd>
+
+    <dt>\c template \c SocketPolicyIsBaseOf < \e base, \e derived ></dt> <dd>This template
+    metafunction will check, wether the socket policy \e derived is convertible to \e base. This
+    means, that for each axis, the corresponding policy class in \e derived must be derived or be
+    the same as the one on \e base.</dd> </dl>
+
+    \implementation All these classes are created automatically. The \c SENF_SOCKET_POLICIES makro
+    is a Boost.Preprocessor style sequence listing all policy axis. The Boost.Preprocessor library
+    is then used to generate the respective classes.
+
+    \section policy_implement Implementing Policy Classes
+
+    To define a new policy class, derive from the corresponding base class for your policy
+    axies. The only policy axis which might possibly need to be extended are the addressing policy
+    (AddressingPolicyBase) and the buffering policy (BufferingPolicyBase). See the Documentation of
+    these classes for more information on which members can be implemented.
+
+    All members you define must be static. For any of the policy classes, you must only define those
+    members which are supported by your implementation. If you leave out a member you automatically
+    disable the corresponding functionality in the ClientSocketHandle/ServerSocketHandle interface.
+
+    The member prototypes given in the base class documentation only specify the call signature not
+    the way, the member must be defined (FileHandle really is not a FileHandle but an arbitrary
+    SocketHandle).
+
+    If the existence of a member depends on other policies, you should use the
+    <code>If</code><i>SomePolicy</i><code>Is</code> and
+    <code>If</code><i>SomePolicy</i><code>IsNot</code> templates to dynamically enable/disable the
+    member depending on some other policy:
+
+    \code
+      struct ExampleAddressingPolicy
+      {
+          template <class Policy>
+          void connect(senf::SocketHandle<Policy> handle, Address & addr,
+                       typename senf::IfCommmunicationPolicyIs<
+                           Policy, senf::ConnectedCommunicationPolicy>::type * = 0);
+      };
+    \endcode
+
+    The \c connect member in this example will only be enabled, it the communication policy of the
+    socket handle is ConnectedCommunicationPolicy (or a derived type). See <a
+    href="http://www.boost.org/libs/utility/enable_if.html">Boost.Enable_If</a> for a discussion of
+    the third argument (\c senf::ConnectedCommunicationPolicyIs is based on the \c boost::enable_if
+    template).
+
+    \see \ref extend_policy \n
+         <a class="ext" href="http://www.boost.org/libs/utility/enable_if.html">The Boost enable_if utility</a> \n
+         <a class="ext" href="http://www.boost.org/libs/mpl/doc/index.html">The Boost.MPL library</a> \n
+         <a class="ext" href="http://www.boost.org/libs/preprocessor/doc/index.html">The Boost.Preprocessor library</a>
+
+    \idea We could combine all the \e Axis \c Is templates into a single template. Since the \e
+    trait argument will automatically specify the axis to be used, it is not necessary to specify
+    that axis in the tempalte functor's name. We could even combine this with \c
+    SocketPolicyIsBaseOf.
+ */
+
+/** \defgroup policy_impl_group Policy Implementation classes
+    \ingroup policy_group
+
+    Here you will find all policy classes. Also included are some
+    supporting classes which are used as base classes to build other
+    policy classes.
+ */
+
 #ifndef HH_SocketPolicy_
 #define HH_SocketPolicy_ 1
 
 // Custom includes
 
+#include "GenericSockAddr.hh"
+
 //#include "SocketPolicy.mpp"
 ///////////////////////////////hh.p////////////////////////////////////////
 
 namespace senf {
 
+    /// \addtogroup policy_group
+    /// @{
+
+    // This may be adapted to change the supported policies (however, ClientSocketHandle and
+    // ServerSocketHandle will probably have to be adjusted accordingly)
 
-    // This may be adapted to change the supported policies (however,
-    // ClientSocketHandle and ServerSocketHandle will probably have to
-    // be adjusted accordingly). However, AddressingPolicy MUST always
-    // be the first Policy member ...
+    /** \brief List all policy axis
 
-#   define SENF_SOCKET_POLICIES               \
-       (AddressingPolicy)                      \
+        \internal
+
+        This define symbol is used to configure the policy axis. The
+        base class for each of these axis must be defined explicitly
+        (e.g. AddressingPolicyBase). The implementation files will
+        then automatically generate all the other classes from this
+        list.
+
+        \see policy_group
+     */
+#   define SENF_SOCKET_POLICIES                 \
+        (AddressingPolicy)                      \
         (FramingPolicy)                         \
-       (CommunicationPolicy)                   \
-       (ReadPolicy)                            \
-       (WritePolicy)                           \
-       (BufferingPolicy)
-    
+        (CommunicationPolicy)                   \
+        (ReadPolicy)                            \
+        (WritePolicy)                           \
+        (BufferingPolicy)
+
+    // Wer define these classes explicitly (and not with some macro
+    // magic) because
+    // a) AddressingPolicyBase is different from all the others
+    // b) We want to document each one explicitly
+
+    /** \brief Policy defining socket addressing
+
+        AddressingPolicyBase is the baseclass of all addressing policy
+        classes. When defining a new addressing policy, the following
+        members can be defined. All methods must be static.
+
+        <table class="senf">
+        <tr><td>typedef</td> <td><tt>Address</tt></td>                                   <td>Address type</td></tr>
+        <tr><td>method</td>  <td><tt>void local(FileHandle, Address &)</tt></td>         <td>Get local socket address</td></tr>
+        <tr><td>method</td>  <td><tt>void peer(FileHandle, Address &)</tt></td>          <td>Get remote socket address</td></tr>
+        <tr><td>method</td>  <td><tt>void bind(FileHandle, Address const &)</tt></td>    <td>Bind socket to local address</td></tr>
+        <tr><td>method</tr>  <td><tt>void connect(FileHandle, Address const &)</tt></td> <td>Connect to remote address</td></tr>
+        </table>
+
+        \see policy_group
+     */
+    struct AddressingPolicyBase
+    {
+        virtual ~AddressingPolicyBase() {}
+
+        typedef GenericSockAddr Address;
+    };
+
+    /** \brief Policy defining the framing format
+
+        This policy does not define any operations since it does have
+        no influence on any method signature. It does however affect
+        the semantics of the \c read() and \c write() operations.
+
+        \note This policy axis probably only has two sensible statess:
+        StreamFramingPolicy and DatagramFramingPolicy.
+
+        \see policy_group
+     */
+    struct FramingPolicyBase
+    {
+        virtual ~FramingPolicyBase() {}
+    };
+
+    /** \brief Policy defining, how peers are selected
+
+        The CommunicationPolicy may define two members:
+
+        <table class="senf">
+        <tr><td>method</td> <td><tt>void listen(FileHandle, unsigned backlog)</tt></td> <td>Switch socket into listening state</td></tr>
+        <tr><td>method</td> <td><tt>int accept(FileHandle, Address &)</tt></td>         <td>Accept a new connection</td></tr>
+        </table>
+
+        The \c listen member is straight forward. The \c accept() member
+        must return a new file descriptor (which will be used to
+        create a new SocketHandle of the correct type). Additionally,
+        accept() should only be defined, if the Addressing policy is
+        not \c NoAddressingPolicy (which together with
+        ConnectedCommunicationPolicy would identify a point-to-point
+        link with fixed communication partners).
+
+        \note This Policy only has two meaningful states:
+        ConnectedCommunicationPolicy and
+        UnconnectedCommunicationPolicy. It is probably not sensible to
+        define a new CommunicationPolicy type.
+
+        \see policy_group
+     */
+    struct CommunicationPolicyBase
+    {
+        virtual ~CommunicationPolicyBase() {}
+    };
+
+    /** \brief Policy defining the readability
+
+        The ReadPolicy defines, wether the socket is readable. It
+        may define two members:
+
+        <table class="senf">
+        <tr><td>method</td> <td><tt>unsigned read(FileHandle, char * buffer, unsigned size)</tt></td>                <td>read data from socket</td></tr>
+        <tr><td>method</td> <td><tt>unsigned readfrom(FileHandle, char * buffer, unsigned size, Address &)</tt></td> <td>read data from unconnected socket</td></tr>
+        </table>
+
+        The second member should only be enabled if the communication
+        policy is UnconnectedCommunication (otherwise it does not make
+        sense since the communication partner is fixed) (see
+        AddressingPolicyBase on how to do this).
+
+        \note This Policy only has two meaningful states:
+        ReadablePolicy and NotReadablePolicy. It probably does not
+        make sense to define new read policy types.
+
+        \see policy_group
+     */
+    struct ReadPolicyBase
+    {
+        virtual ~ReadPolicyBase() {}
+    };
+
+    /** \brief Policy defining the writability
+
+        The WritePolicy defines, wether the socket is writable. It may
+        define two members:
+
+        <table class="senf">
+        <tr><td>method</td> <td><tt>unsigned write(FileHandle, char * buffer, unsigned size)</tt></td>              <td>read data from socket</td></tr>
+        <tr><td>method</td> <td><tt>unsigned writeto(FileHandle, char * buffer, unsigned size, Address &)</tt></td> <td>read data from unconnected socket</td></tr>
+        </table>
+
+        The second member should only be enabled if the communication
+        policy is UnconnectedCommunication (otherwise it does not make
+        sense since the communication partner is fixed) (see
+        AddressingPolicyBase on how to do this).
+
+        \note This Policy only has two meaningful states:
+        WritablePolicy and NotWritablePolicy. It probably does not
+        make sense to define new write policy types.
+
+        \see policy_group
+     */
+    struct WritePolicyBase
+    {
+        virtual ~WritePolicyBase() {}
+    };
+
+    /** \brief Policy defining the buffering interface
+
+        The BufferingPolicy defines the buffer handling of the
+        socket. It may provide the follogin members:
+
+        \see policy_group
+     */
+    struct BufferingPolicyBase
+    {
+        virtual ~BufferingPolicyBase() {}
+    };
+
     // The implementation file will for each Policy declared above
     // define the following (SomePolicy is one of the above):
     //
@@ -59,6 +429,151 @@ namespace senf {
     // template SocketPolicy< ..policies.. >
     // template MakeSocketPolicy< ..args.. >
     // template SocketPolicyIsBaseOf< Base, Derived >
+
+#   ifdef DOXYGEN
+
+    // The following stub definitions are only visible to doxygen
+
+    /** \brief Alias of AddressingPolicyBase for better readability
+        \see \ref policy_group
+     */
+    typedef AddressingPolicyBase UnspecifiedAddressingPolicy;
+
+    /** \brief Check single policy axis
+
+        This template is an example of the \e Axis \c Is family of
+        tempalte metafunctions. It will check, wether \c Trait is a
+        valid compatible Policy class of \c SocketPolicy. \c Trait
+        must be derived from AddressingPolicyBase (respectively \i
+        Policy \c Base).
+
+        \see \ref policy_group
+     */
+    template <class SocketPolicy, class Trait>
+    struct AddressingPolicyIs
+    {};
+
+    /** \brief Enable template overload depending on policy value
+
+        This template is an exmaple of the \c If \e Axis \c Is
+        family of templates. It is used like <a class="ext"
+        href="http://www.boost.org/libs/utility/enable_if.html">Boost.enable_if</a>
+        to enable a templated overload only, if the AddressingPolicy
+        of \e Axis is compatible with \c Trait (that is the
+        AddressingPolicy of \c Policy is derived from \c Trait).
+
+        \see policy_group
+     */
+    template <class SocketPolicy, class Trait>
+    struct IfAddressingPolicyIs
+    {};
+
+    /** \brief Inversion of \c IfAddressingPolicyIs
+        \see policy_group
+     */
+    template <class SocketPolicy, class Trait>
+    struct IfAddressingPolicyIsNot
+    {};
+
+    /** \brief Baseclass of all SocketPolicies
+
+        \internal
+
+        This class provides the baseclass of all socket policies
+        (bundles). It serves two purposes:
+        \li It allows us to easily identify a socket policy bundle by
+            checking a classes baseclass.
+        \li It provides an abstract (virtual) interface to access the
+            policy axes
+
+        \see policy_group
+     */
+    struct SocketPolicyBase
+    {
+        /** \brief Polymorphic access to policy axes
+
+            This is an example of a policy axes accessor. It returns a
+            reference to the policy axes used by the conrecte protocol
+            bundle. This reference can then be checked using RTTI
+            information.
+         */
+        AddressingPolicyBase const & theAddressingPolicy() const = 0;
+    };
+
+    /** \brief Collection of policy classes
+
+        The SocketPolicy template defines the complete Policy used by
+        the socket library. It contains one policy class for each
+        policy axis. This template takes one policy from each axis as
+        it's template arguments (this example implementation only has
+        AddressingPolicy as an argument).
+
+        A SocketPolicy can be complete or incomplete. An incomplete
+        SocketPolicy will have at least one axis set to \c Undefined
+        \e Axis (or a generic derived class which is used to group
+        some other policies but does not (completely) define the
+        policy behavior). A complete SocketPolicy will have a
+        concrete definition of the desired behavior for each policy
+        axis.
+
+        \see policy_group
+     */
+    template < class AddressingPolicy >
+    struct SocketPolicy
+    {
+        /** \brief Check dynamic policy compatibility
+
+            This method will check the socket policy \a other against
+            this policy. It will check, wether \a other is a base
+            policy (or the same) of this policy. This check is done
+            against the \e dynamic type of \a other using RTTI. It
+            will throw \c std::bad_cast, if the policy is not
+            compatible.
+
+            \param[in] other SocketPolicy to check
+            \throws std::bad_cast if \a other is not a compatible
+                policy
+         */
+        static void checkBaseOf(SocketPolicyBase const & other);
+    };
+
+    /** \brief Metafunction to create SocketPolicy
+
+        This template metafunction simplifies the creation of a
+        SocketPolicy instantiation. It takes any number (that is up to
+        6) of Policy classes as arguments in any Order. It will create
+        a SocketPolicy from these policy classes. Any axis not
+        specified will be left as \c Unspecified \e Axis.
+
+        \see policy_group
+     */
+    template <class Arg1, class Arg2, class ArgN>
+    struct MakeSocketPolicy
+    {};
+
+    /** \brief Check policy compatibility
+
+        This tempalte metafunction checks, wether the SocketPolicy \c
+        Derived is more specialized than \c Base (and therefore a
+        SocketHandle with policy \c Derived is convertible to a
+        SocketHandle with policy \c Base).
+
+        The metafunction will return true (that is inherits from \c
+        boost::true_type, see the <a class="ext"
+        href="http://www.boost.org/libs/mpl/doc/index.html">Boost.MPL</a>
+        library documentation for more information) if each policy
+        class in \c Base is a baseclass of (or the same as) the
+        corresponding policy class in \c Derived.
+
+        \see policy_group
+     */
+    template <class Base, class Derived>
+    struct SocketPolicyIsBaseOf
+    {};
+
+#   endif
+
+    /// @}
 }
 
 //////////////////////////////hh.e////////////////////////////////////////
@@ -71,5 +586,8 @@ namespace senf {
 \f
 // Local Variables:
 // mode: c++
+// fill-column: 100
 // c-file-style: "senf"
+// indent-tabs-mode: nil
+// ispell-local-dictionary: "american"
 // End: