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基于C语言的库封装发布技术详解

时间：2022-04-04 07:36:02 | 栏目：C代码 | 点击：次

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：

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：

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

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