c++中如何为一个程序写扩展

c++中如何为一个程序写扩展

https://www.zhihu.com/question/52538590

 

作者：mnzn2530
链接：https://www.zhihu.com/question/52538590/answer/2421788573

首先，不同的范围选择是不一样的。

1。 如果是同一个编译器，同一个版本，你可以直接用动态库，导出函数，变量，类都是可以的。

2。 如果不同的编译器，那么COM基本上是唯一的选择，当然COM的强大不止这一点，遵守com规范，你的插件可以给vba用，给微软的wscript用，可以直接嵌入到office里用。

3。 如果跨平台，那么qt的plugin很不错，但是plugin的实现感觉和com还不大一样，qt的plugin只导出了两个函数，但是它也可以直接使用导出类。。非常方便。。。。

当然，这都是在有头文件的情况下。。。如果没有头文件，你完全不知道dll里在干啥。。。那就要参考以前的外挂怎么写了。。。。也不是不行。。。。

 

作者：诸葛不亮
链接：https://www.zhihu.com/question/52538590/answer/137136003

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：

1. 定义纯虚基类作为Interface（如果有Java基础比较好理解）。
2. 把实现类封装为dll文件，用LoadLibrary运行时载入。
3. 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——

1. 写一个接口类，内部都是纯虚函数，用作定义对外接口。
2. 写一个实例类，继承实现这个接口。这个类不用导出。
3. 导出一个C函数getInstance如下。
4. 使用插件者，通过文件名在运行时加载dll；
5. 使用插件者，通过字符串"getInstance"获取到函数指针；
6. 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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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;
        return it->second();
    }

private:
    PluginFactory(const PluginFactory&) = delete;
    PluginFactory& operator=(const PluginFactory&) = delete;

    // 构造各个类实例的工厂函数
    std::unordered_map<std::string, std::function<std::shared_ptr<IBase>()>> constructors;
};

extern "C" IPluginFactory* getPluginFactory()
{
   static PluginFactory instance;
   return &instance;
}



// IMyPlugin.h 
// 类接口
struct IMyClassA : public IBase
{
    virtual void func() const = 0;
};



// MyPlugin.cpp
// 类实例
class MyClassA : public IMyClassA
{
public:
    MyClassA() = default;
    virtual ~MyClassA() = default;

    virtual void func() const { std::cout << "hello world" << std::endl; }
};

// 插件自动注册
struct MyPlugin
{
    MyPlugin()
    {
        PluginFactory* factory = dynamic_cast<PluginFactory*>(getPluginFactory());
        factory->registerClass("MyPlugin.MyClassA",
                               []{ return std::static_pointer_cast<IBase>(std::shared_ptr<MyClassA>::create()); });
    }
    ~MyPlugin()
    {
        PluginFactory* factory = dynamic_cast<PluginFactory*>(getPluginFactory());
        factory->unregisterClass("MyPlugin.MyClassA");
    }
}
static MyPlugin myPlugin;



// main.cpp
int main(int argc, char* argv[])
{
    (void)argc;
    (void) argv;

    // 加载插件
    HANDLE hModule = ::LoadLibrary("MyPlugin.dll");

    // 获取实例
    IPluginFactory* factory = getPluginFactory();
    auto myClassA = factory->createInstance<IMyClassA>("MyPlugin.MyClassA");
    if (myClassA)
        myClassA->func();

    // 释放插件
    myClassA.reset();
    ::FreeLibrary (hModule);

   return 0;
}

实际实现中，各插件框架，都会有个宏用于声明插件，这个宏有一般是放置在全局域，展开后自动生成类似MyPlugin类的代码和对象声明。

这个宏的输入参数里至少会包含插件类的ID和插件类名。

虽然全局静态对象的初始化顺序是未知的，但这里的依赖是安全的——工厂对象是函数内的静态对象，只有在函数调用时才会完成初始化，所以可以确保，宏定义出的这个全局对象构造时，通过getPlugin()肯定能获取到已经初始化完成的插件工厂。

 

对了，如果你约束好所有插件接口函数的输入输出类型，通过可以跨编译器平台的数据结构实现，如C++11的标准布局(Standard Layout)，那么你这个插件哪怕是用MinGW编译的，也能拿给MSVC使用——.COM就是这么实现的。

 

最后的就是一些扩展功能了，比如运行时热更新：

1. 为IBase提供start()/stop()两个方法，并且在IBase的构造/析构中，更新框架内部持有的对象列表；
2. 热更新插件时，根据对象列表，stop()该插件所有类实例；
3. 就地析构（显示调用构造函数），销毁该插件所有类实例；
4. 卸载插件，更新动态库，重新加载插件；
5. 就地构造（placement new），在原有插件对象的指针地址上重新创建类实例，以避免用户代码里持有的插件对象指针失效。

如果再通过命令模式/状态机等约束插件行为的话，甚至可以还原卸载前的现场。

 

================ End