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yalefield

金虫 (文坛精英)

老汉一枚

[交流] 【转帖】Windows下编写Qt插件

原题：使用Qt编写模块化插件式应用程序
作者：程序开发之家
http://www.cngeng.info/qt%B1%E0%B3%CC/1986.html

动态链接库技术使软件工程师们兽血沸腾，它使得应用系统（程序）可以以二进制模块的形式灵活地组建起来。比起源码级别的模块化，二进制级别的模块划 分使得各模块更加独立，各模块可以分别编译和链接，模块的升级不会引起其它模块和主程序的重新编译，这点对于大系统的构建来说更加实用。另一方面，对于商业目的明显的企业，各模块可以独立设置访问权限，开发成员只能访问自己负责的模块，其它模块是不能也不给看到的，这样减少了整个系统泄漏技术的风险。

一、动态链接库技术概况

　　动态链接库技术用得很多。事实上，整个Windows就是由一个个动态链接库（DLL）构建起来的，不管是系统内核，或是系统调用的API封装，还 是通用工具（如控制面板、ActiveX插件等），都是一个个动态链接库文件。动态链接库并不是微软独有的技术，它是软件工程发展到一定阶段的必然产物。 在类Unix系统中，这种二进制可执行模块技术不叫动态链接库，而被称为共享对象或共享库，后缀名一般为.so（即Share Object的简写）。为简便，下文将统称这种动态链接的技术为DLL或共享库。
　　其实，DLL文件跟普通的可执行文件差别不大，都是可执行文件嘛，装载到进程空间后，都是一些机器指令（函数代码）、内存分配（变量）等。
在 Windows中，这些可执行文件被称作PE/COFF格式文件，在Linux则称为ELF文件。从CPU的角度看来，程序中的各个要素，不管是函数还是变量，它们都是一个个地址，函数是入口地址，变量是访问地址；而C++的所谓类或对象，最后也被编译器肢解成了一个个变量和函数代码（这里是形象的说法， 严谨技术解说：请搜索C++对象模型）。DLL的装载（指导入进程空间，然后执行）方式比可执行文件的装载稍微复杂，因为它把模块链接过程推迟到了运行时。
在动态链接库的装载过程中，首要任务就是解决地址重定向问题。我们知道，DLL装载到进程空间的位置（基址）是不确定的（动态装载嘛），即使 DLL内部使 用的函数调用和全局变量引用，在装载时都要重新计算其地址。Windows采用基址重定向（Rebasing）技术解决这一问题，而 Linux采用地址无关代码（PIC，通过GOT和PLT表实现）技术。这两种技术各有优缺点。

二、Qt中的动态链接库编程
　　使用C++面向对象的类编写DLL是要注意很多细节的，主要是二进制（ABI）兼容问题。COM是一个很成功的例子，只要符合COM的规范，我们就能编写出很好的DLL来，然而，COM是微软私生的，要想跨平台，我们还得另找它路。
　　Qt的跨平台特性同样令人（至少是我）兽血沸腾。如果你认为QT仅仅是一个跨平台界面库，那就小看它了。我要说的是，它不但是一个通用的跨平台的、面向对象的应用程序接口库（包括GUI、数据库、网络、多线程、XML、数据容器和算法等，常用的编辑资源都有封装，就是说，这些都可以跨平台，而不仅仅是界面），更是一种C++语言的扩展，一种编程平台和应用程序框架：

    信号和槽的机制简化了对象之间的通信，比MFC的消息映射直观多了；
    界面的布局管理机制使开发人员可以很轻松地编出优雅的窗体；
    界面语言翻译机制也很方便实用；
    QObject容器管理可以看到Qt在内存管理方面的努力；
    扩展的 foreach 循环结构也向现代语言靠拢……

　　Qt的跨平台特性很好，对于本文的主题－－－－动态链接库的支持也很好。
　　QT对各种平台的动态链接库编程技术都有包装，QT把这种技术统一命名为共享库 （Shared Libraries）。通过使用Qt包装过的类和宏，可以编写跨平台的共享库和插件--当然，这只是源代码级别的跨平台，你不要指望用MSVC编译出来的 DLL，能集成到ARM平台的Linux程序上面－－－－这是一个很美很美的理想哦。

QT使用以下两个宏来实现符号（函数或全局变量/对象）的导出和导入（跨平台不能用def文件了）：
CODE:
Q_DECL_EXPORT   // 必须添加到符号声明中（共享库项目）   
Q_DECL_IMPORT   // 必须添加到符号声明中（使用共享库的客户项目）

　　QT使用 QLibrary 类实现共享库的动态加载，即在运行时决定加载那个DLL程序，插件机制使用。

三、QT共享库和插件范例
　　本节通过例子，实现一个共享库和一个插件。在Windows平台上开发，使用VS2005编译，QT库版本为4.6.2。
本例了将编写以下三类项目：
    Bil 项目：共享库项目，输出Bil.dll和Bil.lib，基础接口类库，定义一个公共的接口IAnimal（抽象类），供客户项目和插件项目使用；
    Plugin 类项目：插件类项目，现编写BilDog和BilPanda两插件项目，实现IAnimal的功能，供客户项目加载和测试。两项目输出BilDog.dll和BilPanda.dll；
    Test 项目：客户应用程序项目，输出Test.exe，界面中可以选择要加载的Animal插件，然后调用Animal的功能函数，完成测试；


1. 编写共享库--Bil 项目的实现
　　该项目定义一个抽象的 IAnimal 类作为导出接口，供客户项目和插件项目使用。项目类型为共享库，将生成Bil.lib和Bil.dll两个文件，Bil.lib供Plugin项目和Test 项目引用，而Bil.dll将给Test.exe运行时动态加载。
新建一个头文件Bil.h，输入如下代码：
CODE:
#ifndef BIL_H #define BIL_H #include // 定义 BIL_SHARE，使用者可以不用再处理符号的导入和导出细节 #ifdef BIL_LIB # define BIL_SHARE Q_DECL_EXPORT #else # define BIL_SHARE Q_DECL_IMPORT #endif #endif // BIL_H

　　你现在可能不知道BIL_SHARE宏有何用处。没关系，请继续看下面的IAnimal接口定义代码：
CODE:
#ifndef IANIMAL_H   
#define IANIMAL_H   
#include "Bil.h"   
class  BIL_SHARE IAnimal   
{   
public :   
    IAnimal();   
    virtual  ~IAnimal();   
public :   
    virtual  void  Eat() = 0;   
    virtual  void  Run() = 0;   
    virtual  void  Sleep() = 0;   
};      
#endif // IANIMAL_H   

　　现在知道BIL_SHARE宏的妙用了吧。BIL_SHARE宏会根据项目编译选项BIL_LIB有没有定义，自动声明IAnimal是导出类，还是导入类。所以，使用BIL_SHARE宏，我们只需要向IAnimal插件的开发者提供同一份IAnimal定义文件（IAnimal.h）即可。 当然，我们得先在Bil项目的编译选项中定义BIL_LIB宏，使得在Bil项目内，BIL_SHARE就是导出符号的声明。插件项目就不要定义BIL_LIB了，因为在Animal插件项目中，IAnimal是导入符号。
　　编译选项如何定义宏？
    如果使用Visual Studio工程文件，依次展开：项目属性->配置属性->C/C++->预处理器，在预处理器定义中添加宏BIL_LIB即可；
    如果是QT工程文件，请在QT工程文件Bil.pro中加入如下定义： DEFINES += BIL_LIB

　　在IAnimal接口中，我们定义了三个纯虚函数Eat()、Run()和Sleep()，表示吃、跑和睡眠的动作，这是抽象的，因为不同的动物有 不同的吃相和睡眠姿态，而世间的动物何止千千万--无所谓，让这些具体动物的不同表现交给IAnimal插件的编写者发挥吧--这就是接口的魅力，加上插件的思想，整个应用程序就变成开放的，可扩展的了！
继续编写IAnimal类的实现文件IAnimal.cpp：
CODE:
#include "IAnimal.h"
IAnimal::IAnimal()
{ }
IAnimal::~IAnimal()
{ }

　　虽然只实现了构造和析构函数，并且什么工作也不做，但这是必要的，我们暂时不要使用内联的构造和析构函数，否则在插件项目实现IAnimal时可能会出现链接错误。
　　开始编译，生成整个Bil项目。最终得到两个输出文件：Bil.lib 和 Bil.dll。
　　下面的插件类项目和客户项目就是依赖这些文件实现的，也许你更愿意把Bil看作是一个通用的DLL类库，就像QT或MFC一样--事实上也是如此，Bil就是这样一个动态的共享类库。

2. 编写Animal插件--BilDog和BilPanda项目的实现
　　现在，让我们来实现两个小插件。
　　BilDog插件很简单，只是汇报下"我是Dog，我正在啃骨头"；
　　BilPanda也是如此
　　这里仅仅是测试而已，实现的项目中，你可以尽情的发挥--没错，是在遵循IAnimal接口的前提下。
　　创建BilDog项目，把Bil项目输出的Bil.h、IAnimal.h和Bil.lib加入到工程。
创建Dog类的头文件Dog.h：
CODE:
#ifndef CLASS_DOG_H   
#define CLASS_DOG_H   
#include "IAnimal.h"   
class  Dog : public  IAnimal   
{   
public :   
    Dog(void );   
    virtual  ~Dog(void );   
public :   
    virtual  void  Eat();   
    virtual  void  Run();   
    virtual  void  Sleep();   
};   
#endif // CLASS_DOG_H   

创建Dog类的实现文件Dog.cpp：
CODE:
#include    
#include "Dog.h"   
Dog::Dog(void )   {   }   
Dog::~Dog(void )   {   }   
void  Dog::Eat()   
{   
    QMessageBox::information(NULL, "Hello" , "Dog eating ..." );   
}   
void  Dog::Run()   
{   
    QMessageBox::information(NULL, "Hello" , "Dog running ..." );   
}   
void  Dog::Sleep()   
{   
    QMessageBox::information(NULL, "Hello" , "Dog sleeping ..." );   
}   

　　调用QT的QMessageBox::information()函数弹出一个信息提示框。
　　还有一个非常重要的工作，我们得提供一个能够创建（释放）Animal具体对象（这里是Dog）的接口，并且把这些函数导出，让主程序（Test.exe）能够解析这个接口函数，动态创建Animal对象，并访问其功能。
新建BilDog.h文件，输入下面的代码：
CODE:
#ifndef BILDOG_H
#define BILDOG_H
#include "Dog.h" // extern "C" 生成的导出符号没有任何修饰，方便主程序找到它 extern "C" {
Q_DECL_EXPORT IAnimal * CreateAnimal();
Q_DECL_EXPORT void ReleaseAnimal(IAnimal * animal); }
#endif // BILDOG_H

这两个函数的工作很简单，直接创建和释放对象即可。  
下面是BilDog.cpp的代码：
CODE:
#include "bildog.h"
IAnimal * CreateAnimal() { return new Dog(); }
void ReleaseAnimal(IAnimal * animal) { delete animal; }

　　至此，一个Animal插件总算完成了。编译，生成BilDog项目，输出BilDog.dll插件文件，以供主程序Test.exe动态调用。
　　BilPanda项目和BilDog项目类似，在这里就不把代码贴出来了。以后开发Animal插件（即使是第三方）的过程都是如此。
　　我们不打算输出该项目的.lib文件和那些头文件，因为我们打算让主程序在运行时刻根据需要装载dll插件和调用插件的功能，而不是让主程序项目在编译时就指定具体的插件。

3. 编写客户程序--Test项目的实现

　　Test项目是一个测试程序项目，但它的角色是主程序，是能使用Animal插件的客户程序。 这个项目用到了Bil共享库，所以得先把Bil项目的几个输出文件导入到Test项目。
　　我们假设Test主程序是一个对话框，上面有一个编辑框和一个"加载并调用"按钮，终端用户在编辑框中输入Animal插件的文件名（比如 BilDog，后缀名可省略，Qt会根据平台判断该查找.dll还是.so），点击"加载并调用"进行共享库的加载，并调用动态创建的IAnimal 对象 的Eat()函数（当然你可以调用Run()函数或Sleep()，这里仅仅是一个示例）。
下面的函数将被"加载并调用"按钮的触发事件调用：
CODE:
#include    
#include    
#include       
// ...      
// strPluginName为插件的名称，可省略后缀   
void  MainDlg::LoadAndAction(QString strPluginName)   
{   
    // 加载插件dll   
    QLibrary lib(strPluginName);   
    if  (lib.load())   
    {   
        // 定义插件中的两个导出函数的原型   
        typedef  IAnimal* (*CreateAnimalFunction)();   
        typedef  void  (*ReleaseAnimalFunction)(IAnimal* animal);   
           // 解析导出函数   
        CreateAnimalFunction createAnimal =   
                (CreateAnimalFunction) lib.resolve("CreateAnimal" );   
        ReleaseAnimalFunction releaseAnimal =   
                (ReleaseAnimalFunction) lib.resolve("ReleaseAnimal" );   
           if  (createAnimal && releaseAnimal)   
        {   
            // 创建Animal对象   
            IAnimal * animal = createAnimal();   
            if  (animal)   
            {   
                // 使用插件功能   
                animal->Eat();   
                animal->Sleep();   
                // 插件使用完毕，删除对象   
                releaseAnimal(animal);   
            }   
        }   
        // 卸载插件   
        lib.unload();   
    }   
}   

　　生成Test项目，输出 Test.exe。
　　我们把Test.exe、Bil.dll、BilDog.dll、BilPanda.dll放在同一目 录，双击运行Test.exe，赶快试下效果吧！
　　注意BilDog.dll或BilPanda.dll依赖于基础接口库Bil.dll，如果系统找不到 Bil.dll，将不能加载BilDog.dll或BilPanda.dll，所以请把它们放在同一目录。

四、一些遗憾
　　DLL的愿望是美好的，只要接口一致，用户可以任意更换模块。但如果不注意细节，很容易陷入它的泥潭中，这就是传说中的DLL Hell（DLL地狱）！

引起DLL地狱问题的主要原因有以下几点：

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个共享的DLL，其它同样依赖于该DLL的程序就可能不能正常工作了！

2. 二制兼容问题（ABI）
　    即使同一平台，不同编译器（甚至同一编译器的不同版本）编出来的共享库和程序也可能不能协同工作。
　    二制兼容问题对于C++来说尤其严重。C++的标准是源代码级别的，标准中并没有对如何实现C++作出统一的规定，所以不同的编译器，对标准 C++采用不 同的实现方式。这些差异主要有：
    对象在内存中的分配（C++）
    构造和析构函数的实现（C++）
    重载和模板的实现（C++）
    虚函数表结构（C++）
    多重继承和虚基类的实现（C++）
    函数调用约定（C）
    符号修饰（C/C++）

等。
此外，不同的运行时库（CRT、STL等标准库）也会引起ABI兼容 问题。可以说，如果你在编写基于类的共享库，如果接口（指导出类）稍有改变，新的DLL与原程序就可能不协同工作了。
　　关于二进制兼容问题，大家可以参考KDE官网上的一篇文章《Policies/Binary Compatibility Issues With C++ 》
　　不过这些都不是大问题，毕竟我们不是编写像Qt一样的通用库。我们引入DLL划分应用程序的模块，目的是减小系统开发和后期升级维护的难度，同时方 便项目的管理。如果用户想自己编写插件模块，就得使用我们指定的编译平台和类接口。所以我们仍能从DLL技术中得到很大的实惠。
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1楼 2011-01-31 00:26:00
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