基于C语言的库封装发布技术详解

每年实验课,总有同学问我,如何生成DLL、如何导出类,如何不花很多时间精力,就设计出一个给别人用的爽的功能库呢?结合这些年的实践,我们今天就来聊一聊动态链接库的封装发布。您也可以直接跳到文章最后,去github查看C++/C混合库的经典案例——Ettus uhd

要让自己的库好用,又通用,该怎么办?重要的事情说前面:

  • 不要导出类、不要导出变量,仅使用C基础数据类型。
  • 面向对象实现功能真香,实现接口真要命。
  • 用最棒的语言实现功能,遵循C语言标准实现接口。
  • 非密集吞吐的接口,可以使用json整体交互。密集吞吐,用内存。

做到了这几点,即使用户从VC2010换成了python,库都不用改。究其原因,C++的类在二进制结构上是缺乏定义的,一个返回值用了std::string,或者参数用了CTime的方法,从VC2010导出的DLL到了VC2017就不一定能用,更别提其他编译器和语言了。

1. C动态链接库是一种即成标准

C语言是一门古老的语言。从六七十年代开始,在Unix/Linux操作系统上,C语言实现了大量的库,几乎涵盖了当代科学涉及的所有领域。从基础的XML操作,到复杂的数学算法,都能找到对应的C库。C语言的动态链接库承载了太多的智力遗产,以至于后来的大部分语言都自觉的加入了享用既有C语言动态链接库的能力。

这种情况使得符合C语言习惯的动态链接库接口1成为了一种即成实事,不同的语言之间,使用C动态链接库的标准交互。尽管这种接口是面向过程的,而可用的参数类型少的可怜,但其简单、直接,又有大量的历史资源,使得后来的CORBA、COM也无法取代这种底层的接口方式2。

这里有几个概念需要明确:

  • C接口的动态链接库的通用性,一般只和操作系统、运行时(32位还是64位)有关,和具体的编译器、语言无关。
  • 很多现代编程语言能调用C接口的动态链接库。
  • 部分现代编程语言能生成C接口的动态链接库。

无论你使用什么语言开发功能,只要提供了符合C语言动态链接库结构的接口,许多其他语言就可以使用你的功能。因此,完全可以用C++语言实现一个C接口的库,在里面尽情使用STL。

C/C++

2. 用C++制作C的库

用C++做C的库,关键是用好句柄。

什么是“句柄(Handle)”?这是个翻译问题。你可以理解为“把手”或者“提手”更合适。句柄很多时候是一个整数,用于标记一堆运行时资源,实现操作动态库功能的目的。

对一个复杂的功能来说,需要很多运行时的参数来支撑。比如FFT,就需要有一个内存区域记录蝶形运算的单元,以及指向各层单元的索引。对通信中的纠错译码,需要一些内存区域记忆寄存器,以及当前的状态。所有上述这些状态,都可以用一个struct 包裹起来,形成一个“箱子”。这个箱子对用户是透明的,只需要把箱子的把手(Handle)交给用户手上,用户在需要的时候,交回箱子并执行任务。

在这里插入图片描述

不难想像,可以同时申请多个箱子,交给不同的线程去执行。库的设计者要确保Handle标记的参数包之间是独立的、线程安全的。

同时,句柄本身可以复刻面向对象的部分功能。如果把Handle作为this指针看待,则C++类可以直接导出为C的函数。只是首个参数要传入Handle即可。

2.1 使用void * 作为句柄

举个例子,假设手头有一个实现字符串查找的类,需要向外发布功能。但这个类是C++的,类似:

//关键词查找器类

class Findfoo

{

public:

Findfoo(const std::string & task = "foo");

~Findfoo();

public:

void setTask(const std::string & task);

const std::string & task() const;

//在rawStr里查找关键词

long long Find(const std::string & rawStr);

private:

//用于匹配的关键词

std::string m_task = "foo";

};

Findfoo::Findfoo(const std::string & task)

:m_task(task)

{}

Findfoo::~Findfoo()

{}

void Findfoo::setTask(const std::string & task)

{

m_task = task;

}

const std::string & Findfoo::task() const

{

return m_task;

}

long long Findfoo::Find(const std::string & rawStr)

{

return rawStr.find(m_task);

}

此时,可以设置以下接口,把C++的类变成C的方法。一旦变为C的方法,外部就无需知道该类的存在。

//创建一个查找器,返回句柄。提供的是关键词。

void * ff_init_task(const char * task)

{

Findfoo * f = new Findfoo(task);

return (void *) f;

}

//重设关键词

void ff_reset_task(void * h, const char * task)

{

Findfoo * f = (Findfoo *)(h);

assert(f);

f->setTask(task);

}

//获取当前关键词

const char * ff_get_task(void * h)

{

Findfoo * f = (Findfoo *)(h);

assert(f);

return f->task().c_str();

}

//用关键词查找rawStr

long long ff_find(void * h, const char * rawStr)

{

Findfoo * f = (Findfoo *)(h);

assert(f);

return f->Find(rawStr);

}

//删除当前查找器

void ff_fini_task(void * h)

{

Findfoo * f = (Findfoo *)(h);

if (f)

delete f;

}

如此操作,用户可以完全不知道存在Findfoo类,只用一个void *指针作为操作类的指示。

上面的例子仅有1个类作为演示。实际开发中,一个工作可能由好几个类的实例共同协作完成。可以用一个std::map<long long, XXX>来管理各个实例,也可以把实例全部放在一个struct中。如果用std::map,切记多线程下的mutex一致性保护,防止用户同时在多个线程init好几组功能实例,导致std::map崩溃。

从性能角度,建议采用struct来承载所有运行时,而后返回指向该struct的指针。

2.2 导出这些方法

上述函数,因为是C++函数,编译器会对其进行改名,把参数也放进去,以便支持多态(同一个函数名,不同参数)。要导出为C的函数,就不允许编译器改名字。要用“extern ‘C‘”进行包装,以便导出这些方法时,函数名不变。

同时,在Windows下,函数存在多个参数时,栈内的参数顺序也有从左开始还是从右压栈的区别。要做到最大的适应性,需要指定 stdcall开关。

最后,我们不想为生成库的工程、用户的工程准备两套头文件,故而需要一些琐碎的宏定义,以区分当前编译的是DLL本身,还是使用DLL的用户工程。

具体:

建立一个头文件,叫做findfoo_global.h。这个头文件对Linux和windows平台定义一些宏,用于声明函数时,指定导出(构造DLL本身)和导入(使用DLL)

#ifndef FINDFOO_GLOBAL_H

#define FINDFOO_GLOBAL_H

#if defined(_MSC_VER) || defined(WIN64) || defined(_WIN64) || defined(__WIN64__) || defined(WIN32) || defined(_WIN32) || defined(__WIN32__) || defined(__NT__)

# define Q_DECL_EXPORT __declspec(dllexport)

# define Q_DECL_IMPORT __declspec(dllimport)

# define FOOCALL __stdcall

#else

# define Q_DECL_EXPORT __attribute__((visibility("default")))

# define Q_DECL_IMPORT __attribute__((visibility("default")))

# define FOOCALL

#endif

#if defined(FINDFOO_LIBRARY)

# define FINDFOO_EXPORT Q_DECL_EXPORT

#else

# define FINDFOO_EXPORT Q_DECL_IMPORT

#endif

//句柄就是void *

#define FFHANDLE void *

#endif // FINDFOO_GLOBAL_H

在DLL的工程中,要定义FINDFOO_LIBRARY宏,这样,就开启了导出开关。

建立头文件findfoo.h

#ifndef FINDFOO_H

#define FINDFOO_H

#include "findfoo_global.h"

#ifdef __cplusplus

extern "C"{

#endif

FINDFOO_EXPORT FFHANDLE FOOCALL ff_init_task (const char * task);

FINDFOO_EXPORT void FOOCALL ff_reset_task (FFHANDLE h , const char * task);

FINDFOO_EXPORT const char * FOOCALL ff_get_task (FFHANDLE h );

FINDFOO_EXPORT long long FOOCALL ff_find (FFHANDLE h , const char * rawStr);

FINDFOO_EXPORT void FOOCALL ff_fini_task (FFHANDLE h );

#ifdef __cplusplus

}

#endif

#endif // FINDFOO_H

实现导出方法 findfoo.cpp

#include "findfoo.h"

#include <assert.h>

#include <string>

class Findfoo

{

public:

Findfoo(const std::string & task = "foo");

~Findfoo();

public:

void setTask(const std::string & task);

const std::string & task() const;

long long Find(const std::string & rawStr);

private:

std::string m_task = "foo";

};

Findfoo::Findfoo(const std::string & task)

:m_task(task){}

Findfoo::~Findfoo(){}

void Findfoo::setTask(const std::string & task)

{

m_task = task;

}

const std::string & Findfoo::task() const

{

return m_task;

}

long long Findfoo::Find(const std::string & rawStr)

{

return rawStr.find(m_task);

}

//-----------

FINDFOO_EXPORT FFHANDLE FOOCALL ff_init_task(const char * task)

{

Findfoo * f = new Findfoo(task);

return (FFHANDLE) f;

}

FINDFOO_EXPORT void FOOCALL ff_reset_task(FFHANDLE h, const char * task)

{

Findfoo * f = reinterpret_cast<Findfoo *>(h);

assert(f);

f->setTask(task);

}

FINDFOO_EXPORT const char * FOOCALL ff_get_task(FFHANDLE h)

{

Findfoo * f = reinterpret_cast<Findfoo *>(h);

assert(f);

return f->task().c_str();

}

FINDFOO_EXPORT long long FOOCALL ff_find(FFHANDLE h, const char * rawStr)

{

Findfoo * f = reinterpret_cast<Findfoo *>(h);

assert(f);

return f->Find(rawStr);

}

FINDFOO_EXPORT void FOOCALL ff_fini_task(FFHANDLE h)

{

Findfoo * f = reinterpret_cast<Findfoo *>(h);

if (f)

delete f;

}

3. 使用库

一旦导出了上述方法,即可使用库。

#include <iostream>

#include <cassert>

#include "findfoo.h"

using namespace std;

int main()

{

FFHANDLE h = ff_init_task("foobar");

assert(h);

cout << "Task string:" << ff_get_task(h) << endl;

cout << "Input String:";

std::string strRaw;

cin >> strRaw;

cout << ff_find(h,strRaw.c_str());

//Delete

ff_fini_task(h);

h = nullptr;

return 0;

}

上述是最简单的例子。当需要处理大量动态内存时,需要注意:内存谁申请,谁释放。这一点特别容易引起错误。

4. 经典的范例:libuhd

USRP软件无线电平台对应的开源库libuhd是用C++ boost开发的。但是,为了兼容更多的语言,其进行了封装,把各个类都用句柄抽象出来了,且是标准C的接口。

可以去Github的工程页签出项目查看,也可以跟踪代码查看其原理。

这个项目是把C、C++的联合运用发挥的非常棒的例子。

1包括函数入口点的定位方式、函数命名方式、参数传递规则、参数类型。

2.COM和C接口DLL其实不是一个范畴的东西,这里放在一起,有点粗暴。

总结

本篇文章就到这里了,希望能给你带来帮助,也希望您能够多多关注的更多内容!

以上是 基于C语言的库封装发布技术详解 的全部内容, 来源链接: utcz.com/p/246906.html

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