如何为 C++ 程序编写扩展程序
最编程
2024-04-14 10:35:48
...
我简单的说明下c/c++里的插件系统是怎么运行的吧。包括.COM、Qt Plugin等各种框架的插件机制,基本都是这样的原理。
Windows/Linux均支持通过文件名运行时加载动态链接库,通过函数符号名称获得函数指针,故:
- 定义纯虚基类作为Interface(如果有Java基础比较好理解)。
- 把实现类封装为dll文件,用LoadLibrary运行时载入。
- 通过C API获取插件对象实例。因为C++ ABI在不同编译器、不同编译器版本之间有差异,而的C ABI是稳定的。
所以就可以这么做了——
- 写一个接口类,内部都是纯虚函数,用作定义对外接口。
- 写一个实例类,继承实现这个接口。这个类不用导出。
- 导出一个C函数getInstance如下。
- 使用插件者,通过文件名在运行时加载dll;
- 使用插件者,通过字符串"getInstance"获取到函数指针;
- 运行函数指针,得到对象实例。然后就可以通过接口调用了。
extern "C" std::shared_ptr<ISomeInterface> getInstance()
{
return std::dynamic_pointer_cast<ISomeInterface>(std::make_shared<MyImplementClass>());
}
上述make_shared这一步,需要封装在库里,暴露一个函数接口,然后可以用上面那个模板函数进一步封装以方便使用。
注:
对纯虚方法的引用,可以直接编译通过,不需要链接方法实现。
所以使用者(程序本身)只需要include接口描述,就可以在代码里使用该接口类型的指针对象了,可以顺利编译通过,不需要链接。
然后实际运行时,就可以随意替换实现类(替换插件dll库),然后通过配置文件或其他手段,通知程序从某个dll插件加载实例即可。
使用者代码如下:
// 加载dll
HMODULE lib = LoadLibrary("xxx.dll");
// 解析函数指针
std::function<std::shared_ptr<ISomeInterface>(void)> getInstanceFunc = GetProcAddress(lib, "getInstance");
// 获得对象
this->myPlugInstance = getInstanceFunc();
// 通过接口随便操作咯
this->myPlugInstance->doSomething();
程序退出前别忘了通过FreeLibrary卸载dll库。
Linux下同理,只不过变成了.so库,同样有对应的系统API完成这些操作。
======== 更新 ========
前面的写法是手敲的,没考虑是否能编译,当伪码看就行。
评论中就遇到了问题——VC编译器给extern "C"添加了额外的约束,不能用来传递类对象。
所以我更新下实际业界中的实现,比上面的复杂一些,但是更实用。
实际实现中,使用了抽象工厂+单例两个设计模式:
- 软件框架统一提供一个插件工厂,用户通过约定的插件id(比如.COM的GUID,比如company.product.module.class这样的字符串标识)创建插件实例。
- 插件工厂提供注册接口,插件加载进内存后将各类型的构造器和id注册进去。
- 插件动态库制作一个static全局静态对象,构造函数里注册插件类,析构函数里取消注册,这样可以在动态库加载时自动注册,卸载时自动取消注册。
- 整个插件库不需要导出任何接口,因为纯虚接口无需链接,对象则是统一从框架的插件工厂获取。
代码如下,在MinGW和MSVC编译器上都可通过。
本方法需要开启RTII和C++11,实际上几乎所有C++插件框架,都依赖于RTII。
手机慎入,因为有大量模板。电脑可流畅阅读,已尽量控制行宽80字符。
// IPluginFactory.h 框架接口,所有用户代码/插件代码均链接这个框架库,类似Qt里的Qt5Core.dll
// IBase: 所有插件接口的基类,可以使用各类框架的Object类型,比如Qt的QObject
// 最好内置引用计数,如此处
struct IBase : public std::enable_shared_from_this<IBase>
{
virtual ~IBase() = default;
};
// 插件工厂接口
struct IPluginFactory
{
virtual ~IPluginFactory() = default;
template<typename T>
std::shared_ptr<T> createInstance(const std::string id)
{ return std::static_pointer_cast<T>(createInstanceWithBase(id); }
protected:
virtual std::shared_ptr<IBase> createInstanceWithBase(const std::string& id) = 0;
};
// 整个dll,只需要导出这唯一一个符号,其他所有类都不需要导出
extern "C" IPluginFactory* getPluginFactory();
// PluginFactory.cpp
// 插件工厂实例,此处使用std::string作为类标识,便于使用
class PluginFactory : public IPluginFactory
{
public:
PluginFactory() {}
virtual ~MyPlugin() = default;
bool registerClass(const std::string& id,
std::function<std::shared_ptr<IBase>()> constructor)
{
if (constructors.find(id) != constructors.end())
return false;
constructors[id] = constructor;
}
void unregisterClass(const std::string& id)
{
auto it = constructors.find(id);
if (it != constructors.end())
constructors.erase(it);
}
protected:
virtual std::shared_ptr<IBase> createInstanceWithBase(const std::string& id)
{
auto it = factories.find(id);
if(it == factories.end())
return nullptr
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print dir; print bytes; print xA; print xB; main Printf函数通过F#的反射机制和.NET的ToString方法来解析“%A”模式,适用于任何类型的值,也可以通过F#中的print_any和print_to_string函数来完成类似的功能。值和函数(Values and Functions) 在F#中函数也是值,F#处理它们的语法也是类似的。 let n = 10let add a b = a + blet addFour = add 4let result = addFour n printfn "result = %i" result 可以看到定义值n和函数add的语法很类似,只不过add还有两个参数。对于add来说a + b的值自动作为其返回值,也就是说在F#中我们不需要显式地为函数定义返回值。对于函数addFour来说,它定义在add的基础上,它只向add传递了一个参数,这样对于不同的参数addFour将返回不同的值。考虑数学中的函数概念,F(x, y) = x + y,G(y) = F(4, y),实际上G(y) = 4 + y,G也是一个函数,它接收一个参数,这个地方是不是很类似?这种只向函数传递部分参数的特性称为函数的柯里化(curried function)。 当然对某些函数来说,传递部分参数是无意义的,此时需要强制提供所有参数,可是将参数括起来,将它们转换为元组(tuple)。下面的例子将不能编译通过: let sub(a, b) = a - blet subFour = sub 4 必须为sub提供两个参数,如sub(4, 5),这样就很像C#中的方法调用了。 对于这两种方式来说,前者具有更高的灵活性,一般可优先考虑。 如果函数的计算过程中需要定义一些中间值,我们应当将这些行进行缩进: let halfWay a b = let dif = b - a let mid = dif / 2 mid + a 需要注意的是,缩进时要用空格而不是Tab,如果你不想每次都按几次空格键,可以在VS中设置,将Tab字符自动转换为空格;虽然缩进的字符数没有限制,但一般建议用4个空格。而且此时一定要用在文件开头添加#light指令。作用域(Scope)作用域是编程语言中的一个重要的概念,它表示在何处可以访问(使用)一个标识符或类型。所有标识符,不管是函数还是值,其作用域都从其声明处开始,结束自其所处的代码块。对于一个处于最顶层的标识符而言,一旦为其赋值,它的值就不能修改或重定义了。标识符在定义之后才能使用,这意味着在定义过程中不能使用自身的值。 let defineMessage = let message = "Help me" print_endline message // error 对于在函数内部定义的标识符,一般而言,它们的作用域会到函数的结束处。 但可使用let关键字重定义它们,有时这会很有用,对于某些函数来说,计算过程涉及多个中间值,因为值是不可修改的,所以我们就需要定义多个标识符,这就要求我们去维护这些标识符的名称,其实是没必要的,这时可以使用重定义标识符。但这并不同于可以修改标识符的值。你甚至可以修改标识符的类型,但F#仍能确保类型安全。所谓类型安全,其基本意义是F#会避免对值的错误操作,比如我们不能像对待字符串那样对待整数。这个跟C#也是类似的。 let changeType = let x = 1 let x = "change me" let x = x + 1 print_string x 在本例的函数中,第一行和第二行都没问题,第三行就有问题了,在重定义x的时候,赋给它的值是x + 1,而x是字符串,与1相加在F#中是非法的。 另外,如果在嵌套函数中重定义标识符就更有趣了。 let printMessages = let message = "fun value" printfn "%s" message; let innerFun = let message = "inner fun value" printfn "%s" message innerFun printfn "%s" message printMessages 打印结果: fun value inner fun valuefun value 最后一次不是inner fun value,因为在innerFun仅仅将值重新绑定而不是赋值,其有效范围仅仅在innerFun内部。递归(Recursion)递归是编程中的一个极为重要的概念,它表示函数通过自身进行定义,亦即在定义处调用自身。在FP中常用于表达命令式编程的循环。很多人认为使用递归表示的算法要比循环更易理解。 使用rec关键字进行递归函数的定义。看下面的计算阶乘的函数: let rec factorial x = match x with | x when x < 0 -> failwith "value must be greater than or equal to 0" | 0 -> 1 | x -> x * factorial(x - 1) 这里使用了模式匹配(F#的一个很棒的特性),其C#版本为: public static long Factorial(int n) { if (n < 0) { throw new ArgumentOutOfRangeException("value must be greater than or equal to 0"); } if (n == 0) { return 1; } return n * Factorial (n - 1); } 递归在解决阶乘、Fibonacci数列这样的问题时尤为适合。但使用的时候要当心,可能会写出不能终止的递归。匿名函数(Anonymous Function) 定义函数的时候F#提供了第二种方式:使用关键字fun。有时我们没必要给函数起名,这种函数就是所谓的匿名函数,有时称为lambda函数,这也是C#3.0的一个新特性。比如有的函数仅仅作为一个参数传给另一个函数,通常就不需要起名。在后面的“列表”一节中你会看到这样的例子。除了fun,我们还可以使用function关键字定义匿名函数,它们的区别在于后者可以使用模式匹配(本文后面将做介绍)特性。看下面的例子: let x = (fun x y -> x + y) 1 2let x1 = (function x -> function y -> x + y) 1 2let x2 = (function (x, y) -> x + y) (1, 2) 我们可优先考虑fun,因为它更为紧凑,在F#类库中你能看到很多这样的例子。 注意:本文中的代码均在F# 1.9.4.17版本下编写,在F# CTP 1.9.6.0版本下可能不能通过编译。 F#系列随笔索引页面
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