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使用Qt編寫模塊化插件式應用程序

本文轉載自   查看原文   2013-01-22 15:23   5631    Qt 編程
動態鏈接庫技術使軟件工程師們獸血沸騰，它使得應用系統（程序）可以以二進制模塊的形式靈活地組建起來。比起源碼級別的模塊化，二進制級別的模塊划分使得各模塊更加獨立，各模塊可以分別編譯和鏈接，模塊的升級不會引起其它模塊和主程序的重新編譯，這點對於大系統的構建來說更加實用。另一方面，對於商業目的明顯的企業，各模塊可以獨立設置訪問權限，開發成員只能訪問自己負責的模塊，其它模塊是不能也不給看到的，這樣減少了整個系統泄漏技術的風險。

一、動態鏈接庫技術概況

動態鏈接庫技術用得很多。事實上，整個Windows就是由一個個動態鏈接庫（DLL）構建起來的，不管是系統內核，或是系統調用的API封裝，還是通用工具（如控制面板、ActiveX插件等），都是一個個動態鏈接庫文件。動態鏈接庫並不是微軟獨有的技術，它是軟件工程發展到一定階段的必然產物。在類Unix系統中，這種二進制可執行模塊技術不叫動態鏈接庫，而被稱為共享對象或共享庫，后綴名一般為.so（即Share Object的簡寫）。為簡便，下文將統稱這種動態鏈接的技術為DLL或共享庫。

其實，DLL文件跟普通的可執行文件差別不大，都是可執行文件嘛，裝載到進程空間后，都是一些機器指令（函數代碼）、內存分配（變量）等。在Windows中，這些可執行文件被稱作PE/COFF格式文件，在Linux則稱為ELF文件。從CPU的角度看來，程序中的各個要素，不管是函數還是變量，它們都是一個個地址，函數是入口地址，變量是訪問地址；而C++的所謂類或對象，最后也被編譯器肢解成了一個個變量和函數代碼（這里是形象的說法，嚴謹技術解說請搜索C++對象模型）。DLL的裝載（指導入進程空間，然后執行）方式比可執行文件的裝載稍微復雜，因為它把模塊鏈接過程推遲到了運行時。在動態鏈接庫的裝載過程中，首要任務就是解決地址重定向問題。我們知道，DLL裝載到進程空間的位置（基址）是不確定的（動態裝載嘛），即使DLL內部使用的函數調用和全局變量引用，在裝載時都要重新計算其地址。Windows采用基址重定向（Rebasing）技術解決這一問題，而Linux采用地址無關代碼（PIC，通過GOT和PLT表實現）技術。這兩種技術各有優缺點。

二、Qt中的動態鏈接庫編程

使用C++面向對象的類編寫DLL是要注意很多細節的，主要是二進制（ABI）兼容問題。COM是一個很成功的例子，只要符合COM的規范，我們就能編寫出很好的DLL來，然而COM是微軟私生的，要想跨平台，我們還得另找它路。

Qt的跨平台特性同樣令人（至少是我）獸血沸騰。如果你認為QT僅僅是一個跨平台界面庫，那就小看它了。我要說的是，它不但是一個通用的跨平台的面向對象的應用程序接口庫（包括GUI、數據庫、網絡、多線程、XML、數據容器和算法等，常用的編輯資源都有封裝，就是說，這些都可以跨平台，而不僅僅是界面），更是一種C++語言的擴展，一種編程平台和應用程序框架。信號和槽的機制簡化了對象之間的通信，比MFC的消息映射直觀多了；界面的布局管理機制使開發人員可以很輕松地編出優雅的窗體；界面語言翻譯機制也很方便實用；QObject容器管理可以看到Qt在內存管理方面的努力；擴展的foreach循環結構也向現代語言靠攏……

Qt的跨平台特性很好，對於本文的主題——動態鏈接庫的支持也很好。QT對各種平台的動態鏈接庫編程技術都有包裝，QT把這種技術統一命名為共享庫（Shared Libraries）。通過使用Qt包裝過的類和宏，可以編寫跨平台的共享庫和插件——當然，這只是源代碼級別的跨平台，你不要指望用MSVC編譯出來的DLL，能集成到ARM平台的Linux程序上面——這是一個很美很美的理想哦。

QT使用以下兩個宏來實現符號（函數或全局變量/對象）的導出和導入（跨平台不能用def文件了）：

Q_DECL_EXPORT   // 必須添加到符號聲明中（共享庫項目）  Q_DECL_IMPORT   // 必須添加到符號聲明中（使用共享庫的客戶項目） Q_DECL_EXPORT   // 必須添加到符號聲明中（共享庫項目） Q_DECL_IMPORT   // 必須添加到符號聲明中（使用共享庫的客戶項目）

QT使用 QLibrary 類實現共享庫的動態加載，即在運行時決定加載那個DLL程序，插件機制使用。

三、QT共享庫和插件范例

本節通過例子，實現一個共享庫和一個插件。在Windows平台上開發，使用VS2005編譯，QT庫版本為4.6.2。

本例了將編寫以下三類項目：

Bil 項目：共享庫項目，輸出Bil.dll和Bil.lib，基礎接口類庫，定義一個公共的接口IAnimal（抽象類），供客戶項目和插件項目使用； Plugin 類項目：插件類項目，現編寫BilDog和BilPanda兩插件項目，實現IAnimal的功能，供客戶項目加載和測試。兩項目輸出BilDog.dll和BilPanda.dll； Test 項目：客戶應用程序項目，輸出Test.exe，界面中可以選擇要加載的Animal插件，然后調用Animal的功能函數，完成測試； 1. 編寫共享庫——Bil 項目的實現

該項目定義一個抽象的 IAnimal 類作為導出接口，供客戶項目和插件項目使用。項目類型為共享庫，將生成Bil.lib和Bil.dll兩個文件，Bil.lib供Plugin項目和Test 項目引用，而Bil.dll將給Test.exe運行時動態加載。

新建一個頭文件Bil.h，輸入如下代碼：

 

view plain
  1. #ifndef BIL_H    
  2. #define BIL_H    
  3. #include <Qt/qglobal.h>    
  4. // 定義BIL_SHARE，使用者可以不用再處理符號的導入和導出細節    
  5. #ifdef BIL_LIB    
  6. # define BIL_SHARE Q_DECL_EXPORT    
  7. #else    
  8. # define BIL_SHARE Q_DECL_IMPORT    
  9. #endif    
  10. #endif // BIL_H   

 

你現在可能不知道BIL_SHARE宏有何用處。沒關系，請繼續看下面的IAnimal接口定義代碼：

 

view plain
  1. #ifndef IANIMAL_H    
  2. #define IANIMAL_H    
  3. #include "Bil.h"    
  4. class BIL_SHARE IAnimal    
  5. {    
  6. public:    
  7.     IAnimal();    
  8.     virtual ~IAnimal();    
  9. public:    
  10.     virtualvoid Eat() = 0;    
  11.     virtualvoid Run() = 0;    
  12.     virtualvoid Sleep() = 0;    
  13. };    
  14.    
  15. #endif // IANIMAL_H   

 

現在知道BIL_SHARE宏的妙用了吧。BIL_SHARE宏會根據項目編譯選項BIL_LIB有沒有定義，自動聲明IAnimal是導出類，還是導入類。所以，使用BIL_SHARE宏，我們只需要向IAnimal插件的開發者提供同一份IAnimal定義文件（IAnimal.h）即可。

當然，我們得先在Bil項目的編譯選項中定義BIL_LIB宏，使得在Bil項目內，BIL_SHARE就是導出符號的聲明。插件項目就不要定義BIL_LIB了，因為在Animal插件項目中，IAnimal是導入符號。

編譯選項如何定義宏？如果使用Visual Studio工程文件，依次展開：項目屬性->配置屬性->C/C++->預處理器，在預處理器定義中添加宏BIL_LIB即可；如果是QT工程文件，請在QT工程文件Bil.pro中加入如下定義：

DEFINES += BIL_LIB DEFINES += BIL_LIB

在IAnimal接口中，我們定義了三個純虛函數Eat()、Run()和Sleep()，表示吃、跑和睡眠的動作，這是抽象的，因為不同的動物有不同的吃相和睡眠姿態，而世間的動物何止千千萬——無所謂，讓這些具體動物的不同表現交給IAnimal插件的編寫者發揮吧——這就是接口的魅力，加上插件的思想，整個應用程序就變成開放的，可擴展的了！

繼續編寫IAnimal類的實現文件IAnimal.cpp：

 

view plain
  1. #include "IAnimal.h" 
  2. IAnimal::IAnimal() 
  3. { 
  4. } 
  5. IAnimal::~IAnimal() 
  6. { 
  7. }  

 

雖然只實現了構造和析構函數，並且什么工作也不做，但這是必要的，我們暫時不要使用內聯的構造和析構函數，否則在插件項目實現IAnimal時可能會出現鏈接錯誤。

好了，我們開始編譯吧，生成整個Bil項目。最終我們得到兩個輸出文件：Bil.lib 和 Bil.dll。

我們向Animal插件開發者提供：

兩個頭文件：Bil.h 和 IAnimal.h 兩個庫文件：Bil.lib 和 Bil.dll 下面的插件類項目和客戶項目就是依賴這些文件實現的，也許你更願意把Bil看作是一個通用的DLL類庫，就像QT或MFC一樣——事實上也是如此，Bil就是這樣一個動態的共享類庫。

2. 編寫Animal插件——BilDog和BilPanda項目的實現

現在，讓我們來實現兩個小插件。BilDog插件很簡單，只是匯報下“我是Dog，我正在啃骨頭”；BilPanda也是如此——這里僅僅是測試而已，實現的項目中，你可以盡情的發揮——沒錯，是在遵循IAnimal接口的前提下。

創建BilDog項目，把Bil項目輸出的Bil.h、IAnimal.h和Bil.lib加入到工程。

創建Dog類的頭文件Dog.h：

view plain
  1. #ifndef CLASS_DOG_H 
  2. #define CLASS_DOG_H 
  3. #include "IAnimal.h" 
  4. class Dog : public IAnimal 
  5. { 
  6. public: 
  7. Dog(void); 
  8. virtual ~Dog(void); 
  9. public: 
  10. virtualvoid Eat(); 
  11. virtualvoid Run(); 
  12. virtualvoid Sleep(); 
  13. }; 
  14. #endif // CLASS_DOG_H  

 

創建Dog類的實現文件Dog.cpp：

 

view plain
  1. #include <QtGui/QMessageBox>    
  2. #include "Dog.h"    
  3. Dog::Dog(void)    
  4. {    
  5. }    
  6. Dog::~Dog(void)    
  7. {    
  8. }    
  9. void Dog::Eat()    
  10. {    
  11.     QMessageBox::information(NULL, "Hello", "Dog eating ...");    
  12. }    
  13. void Dog::Run()    
  14. {    
  15.     QMessageBox::information(NULL, "Hello", "Dog running ...");    
  16. }    
  17. void Dog::Sleep()    
  18. {    
  19.     QMessageBox::information(NULL, "Hello", "Dog sleeping ...");    
  20. }   

 

調用QT的QMessageBox::information()函數彈出一個信息提示框。

還有一個非常重要的工作，我們得提供一個能夠創建（釋放）Animal具體對象（這里是Dog）的接口，並且把這些函數導出，讓主程序（Test.exe）能夠解析這個接口函數，動態創建Animal對象，並訪問其功能。

新建BilDog.h文件，輸入下面的代碼：

 

view plain
  1. #ifndef BILDOG_H 
  2. #define BILDOG_H 
  3. #include "Dog.h" 
  4.  
  5. // extern "C" 生成的導出符號沒有任何修飾，方便主程序找到它 
  6. extern"C" 
  7. { 
  8. Q_DECL_EXPORT IAnimal * CreateAnimal(); 
  9. Q_DECL_EXPORT void ReleaseAnimal(IAnimal * animal); 
  10. } 
  11. #endif // BILDOG_H  

 

這兩個函數的工作很簡單，直接創建和釋放對象即可。 下面是BilDog.cpp的代碼：

 

view plain
  1. #include "bildog.h"    
  2.    
  3. IAnimal * CreateAnimal()    
  4. {    
  5.     returnnew Dog();    
  6. }    
  7.    
  8. void ReleaseAnimal(IAnimal * animal)    
  9. {    
  10.     delete animal;    
  11. }   

 

至此，一個Animal插件總算完成了。編譯，生成BilDog項目，輸出BilDog.dll插件文件，以供主程序Test.exe動態調用。

BilPanda項目和BilDog項目類似，在這里就不把代碼貼出來了。以后開發Animal插件（即使是第三方）的過程都是如此。

我們不打算輸出該項目的.lib文件和那些頭文件，因為我們打算讓主程序在運行時刻根據需要裝載dll插件和調用插件的功能，而不是讓主程序項目在編譯時就指定具體的插件。

3. 編寫客戶程序——Test項目的實現

Test項目是一個測試程序項目，但它的角色是主程序，是能使用Animal插件的客戶程序。

同樣，這個項目用到了Bil共享庫，所以得先把Bil項目的幾個輸出文件導入到Test項目。

我們假設Test主程序是一個對話框，上面有一個編輯框和一個“加載並調用”按鈕，終端用戶在編輯框中輸入Animal插件的文件名（比如BilDog，后綴名可省略，Qt會根據平台判斷該查找.dll還是.so），點擊“加載並調用”進行共享庫的加載，並調用動態創建的IAnimal對象的Eat()函數（當然你可以調用Run()函數或Sleep()，這里僅僅是一個示例）。

下面的函數將被“加載並調用”按鈕的觸發事件調用：

 

view plain
  1. // ...    
  2. #include <QString>    
  3. #include <QLibrary>    
  4. #include <IAnimal.h>    
  5.    
  6. // ...    
  7.    
  8. // strPluginName為插件的名稱，可省略后綴    
  9. void MainDlg::LoadAndAction(QString strPluginName)    
  10. {    
  11.     // 加載插件dll    
  12.     QLibrary lib(strPluginName);    
  13.     if (lib.load())    
  14.     {    
  15.         // 定義插件中的兩個導出函數的原型    
  16.         typedef IAnimal* (*CreateAnimalFunction)();    
  17.         typedefvoid (*ReleaseAnimalFunction)(IAnimal* animal);    
  18.    
  19.         // 解析導出函數    
  20.         CreateAnimalFunction createAnimal =     
  21.                 (CreateAnimalFunction) lib.resolve("CreateAnimal");    
  22.         ReleaseAnimalFunction releaseAnimal =     
  23.                 (ReleaseAnimalFunction) lib.resolve("ReleaseAnimal");    
  24.    
  25.         if (createAnimal && releaseAnimal)    
  26.         {    
  27.             // 創建Animal對象    
  28.             IAnimal * animal = createAnimal();    
  29.             if (animal)    
  30.             {    
  31.                 // 使用插件功能    
  32.                 animal->Eat();    
  33.                 animal->Sleep();    
  34.                 // 插件使用完畢，刪除對象    
  35.                 releaseAnimal(animal);    
  36.             }    
  37.         }    
  38.         // 卸載插件    
  39.         lib.unload();    
  40.     }    
  41. }   
  42. // ... 

 

生成Test項目，輸出Test.exe。我們把Test.exe、Bil.dll、BilDog.dll、BilPanda.dll放在同一目錄，雙擊運行Test.exe，趕快試下效果吧！注意BilDog.dll或BilPanda.dll依賴於基礎接口庫Bil.dll，如果系統找不到Bil.dll，將不能加載BilDog.dll或BilPanda.dll，所以請把它們放在同一目錄。

四、一些遺憾

DLL的願望是美好的，只要接口一致，用戶可以任意更換模塊。但如果不注意細節，很容易陷入它的泥潭中，這就是傳說中的DLL Hell（DLL地獄）！

引起DLL地獄問題的主要原因有以下幾點：

1. 版本控制不好（主要是接口的版本）

    DLL是共享的，如果某程序更新了一個共享的DLL，其它同樣依賴於該DLL的程序就可能不能正常工作了！

2. 二制兼容問題（ABI）

    即使同一平台，不同編譯器（甚至同一編譯器的不同版本）編出來的共享庫和程序也可能不能協同工作。

    二制兼容問題對於C++來說尤其嚴重。C++的標准是源代碼級別的，標准中並沒有對如何實現C++作出統一的規定，所以不同的編譯器，對標准C++采用不同的實現方式。這些差異主要有：對象在內存中的分配（C++）、構造和析構函數的實現（C++）、重載和模板的實現（C++）、虛函數表結構（C++）、多重繼承和虛基類的實現（C++）、函數調用約定（C）、符號修飾（C/C++）等。此外，不同的運行時庫（CRT、STL等標准庫）也會引起ABI兼容問題。可以說，如果你在編寫基於類的共享庫，如果接口（指導出類）稍有改變，新的DLL與原程序就可能不協同工作了。

關於二進制兼容問題，大家可以參考KDE官網上的一篇文章《Policies/Binary Compatibility Issues With C++ 》

不過這些都不是大問題，畢竟我們不是編寫像Qt一樣的通用庫。我們引入DLL划分應用程序的模塊，目的是減小系統開發和后期升級維護的難度，同時方便項目的管理。如果用戶想自己編寫插件模塊，就得使用我們指定的編譯平台和類接口。所以我們仍能從DLL技術中得到很大的實惠。

（版權聲明：轉載請注明作者和出處）

本文來自CSDN博客，轉載請標明出處：http://blog.csdn.net/flyoxs/archive/2010/04/30/5546591.aspx


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