使用Qt编写模块化插件式应用程序

时间：2023-12-10 16:17:56
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）：

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） 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：

  1. #ifndef BIL_H
  2. #define BIL_H
  3. #include <Qt/qglobal.h>
  4. // 定义BIL_SHARE，使用者可以不用再处理符号的导入和导出细节
  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：

  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. #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 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：

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

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。

好了，我们开始编译吧，生成整个Bil项目。最终我们得到两个输出文件：Bil.lib 和 Bil.dll。

我们向Animal插件开发者提供：

两个头文件：Bil.h 和 IAnimal.h 两个库文件：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：

  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

创建Dog类的实现文件Dog.cpp：

  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. }

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：

  1. #ifndef BILDOG_H
  2. #define BILDOG_H
  3. #include "Dog.h"
  4. // extern "C" 生成的导出符号没有任何修饰，方便主程序找到它
  5. extern"C"
  6. {
  7. Q_DECL_EXPORT IAnimal * CreateAnimal();
  8. Q_DECL_EXPORT void ReleaseAnimal(IAnimal * animal);
  9. }
  10. #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：

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

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。

同样，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：

  1. // ...
  2. #include <QString>
  3. #include <QLibrary>
  4. #include <IAnimal.h>
  5. // ...
  6. // strPluginName为插件的名称，可省略后缀
  7. void MainDlg::LoadAndAction(QString strPluginName)
  8. {
  9. // 加载插件dll
  10. QLibrary lib(strPluginName);
  11. if (lib.load())
  12. {
  13. // 定义插件中的两个导出函数的原型
  14. typedef IAnimal* (*CreateAnimalFunction)();
  15. typedefvoid (*ReleaseAnimalFunction)(IAnimal* animal);
  16. // 解析导出函数
  17. CreateAnimalFunction createAnimal =
  18. (CreateAnimalFunction) lib.resolve("CreateAnimal");
  19. ReleaseAnimalFunction releaseAnimal =
  20. (ReleaseAnimalFunction) lib.resolve("ReleaseAnimal");
  21. if (createAnimal && releaseAnimal)
  22. {
  23. // 创建Animal对象
  24. IAnimal * animal = createAnimal();
  25. if (animal)
  26. {
  27. // 使用插件功能
  28. animal->Eat();
  29. animal->Sleep();
  30. // 插件使用完毕，删除对象
  31. releaseAnimal(animal);
  32. }
  33. }
  34. // 卸载插件
  35. lib.unload();
  36. }
  37. }
  38. // ...

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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