C++ 类的动态组件化技术

简介:

序言:

         N年前,我们曾在软件开发上出现了这样的困惑,用VC开发COM组件过于复杂,用VB开发COM组件发现效率低,而且不能实现面向对象的很多特性,例如,继承,多态等。更况且如何快速封装利用历史遗留的大量C++代码本身就是一个大的难题。

         当时,开发小组的成员通过共同努力,摸索了一套C++类的动态组件化技术,很好的解决了以上的问题,通过这个技术,我们继承了大量的C++代码,同时使这些C++程序以COM+组件的形式得以新生。通过这几年在实际应用中的考验,这个技术是成熟可靠的。

       也许新的系统大多数都完全构建在.Net 或者 Java 上,但是我觉得当时我们研究C++类对象的组件化的思路很好,从软件工程的角度,解决了一个日常程序员可能遇到的难题。大家用一套组件编程的规范实现程序,也降低了代码的难度,提高了维护性。这样一般对COM技术不是很熟悉的程序员也能用C++做出优良的COM组件,并且能实现组件的继承,多态等。

        现在我将这个技术的思路在博客上公开,如果还能对大家现在的工作有所帮助的话,实在荣幸,呵呵!

C++类的动态组件化技术

关键词

COM组件   接口  生命周期    C++类  ATL组件类    C++基类  ATL模板基类   继承

摘要

在组件化编程的时代,如何复用历史累积的大量没有组件特性的C++类?本文从工程的角度对这一问题进行探讨,利用现有组件技术,提出了一套将C++类平滑过渡到COM组件的完整解决方案。

1.   问题的提出

自从Microsoft公布了COM(Component Object Model,组件对象模型,简称COM)技术以后,Windows平台上的开发模式发生了巨大的变化,以COM为基础的一系列组件技术将Windows编程带入了组件化时代,传统的面向对象的软件开发方法已经逐渐被面向组件的方法所取代。

COM标准建立在二进制可执行代码级的基础上,不论何种工具、语言开发的组件,只要符合COM规范,就可复用于VC、VB、Delphi、BC等各种开发环境中。COM的语言无关性将软件复用的层次从源代码级推进到了二进制级,复用更方便,也更安全。

然而,COM技术带来全新的软件设计和开发模式的同时,也带来了新的问题。

许多软件公司在开发自己的软件产品过程中,都累积了大量C++类,这些代码设计精良,功能完备,以面向对象的标准来检验无可挑剔。然而,这些代码不支持COM,将无法在COM时代继续被复用。如果它们在软件组件化的趋势中被淘汰,那对软件公司和开发人员来说都是极大的损失。

COM专家Don Box曾说过,“COM is a super C++”。这给了我们一个启示,是否可以实现一种技术,能够动态的为普通C++类加上一层COM的封装呢?这样,既可以保持这些代码自身的完整和特性,使它们能继续应用于原来的系统,也可以在需要作为组件使用的时候,把它们动态转变成组件,复用于新系统。

一个自然而然的想法是,为每一个C++类开发一个只暴露一个接口的COM组件,将原C++类的每个public方法都对应于该接口的一个方法,接口方法的实现可以简单的调用相对应的C++类方法即可。并且一般情况下C++对象实例是以普通对象存在的,只有外部需要以组件的方式得到该C++对象实例的时候,程序会自动给该对象加上一个组件外壳。外部程序通过外壳的接口实现对该C++对象的操作。

这样,程序逻辑由原有的C++类控制,但COM层的封装则由组件提供。基本思路如下图所示:

 

 

 

本文就这一技术展开讨论,最终提供一套由普通C++类平滑过渡到COM组件的完整解决方案。我们选用ATL(Active Template Library,活动模板库,简称ATL)作为COM组件的开发工具。如没有特殊说明,下文中的“C++类”指没有组件特性C++类,“C++对象”指C++类的实例;“ATL组件类”指用于包装的ATL类,“ATL对象”指ATL组件类的实例。

2.   用ATL包装C++类

按上述思路将C++对象动态组件化后,所得的组件实际上由两部分组成:ATL组件对象和绑定的C++对象。两者的生命周期互相牵制,但要保持一致。生命周期的管理是C++类动态组件化的首要难点。

C++类分为两种,一种是简单的C++类,一种是集合型的C++类。集合型的C++对象管理一组C++对象,负责其创建和删除,维护它们的生命周期。下面,分别就简单C++类和集合型C++类的组件化技术进行说明,展示解决方案的核心技术。

2.1. 简单C++类的组件化

为使ATL组件类可以自由调用C++类的方法,需要:

l  为ATL组件类安插一个指针成员变量,指向C++类

l  提供ATL对象和C++对象的绑定机制

 

我们可以在ATL组件类初始化时创建一个C++类,用成员变量m_pCPPObj记录,在析构时删除,从而实现ATL组件类和C++类的天然绑定。但出于灵活性考虑,使得ATL组件对象可以绑定任意C++类的对象,我们为ATL组件类添加一个绑定函数Link2CPPObj(CImplement* pObj)。

ATL组件类的构造函数内,创建一个C++对象,用m_pCPPObj记录。如果调用了Link2CPPObj,则将m_pCPPObj指向的对象删除,改用传入的C++对象。在ATL组件类的的析构函数内,删除其绑定的C++对象。由构造函数和Link2CPPObj函数的定义可知,m_pCPPObj指针总是有意义的。简单C++类组件化的思想如下图所示:

 

 

2.2. 集合型C++类的组件化

集合型C++类是以数组(array)、列表(list)、映射表(map)等容器形式管理其它C++对象。集合对象和它管理的元素对象如果用上述方法分别包装成组件后,集合型ATL对象可能调用一个“Destroy”方法,期望删除集合型ATL对象及其对应的元素ATL对象。但这一操作的实质却是,在调用集合型ATL对象的“Destroy”方法时,集合型C++对象的“Destroy”方法被调用,将元素C++对象删除了,而元素C++对象对应的ATL对象却没有删除。这一操作的结果导致了元素的ATL对象存在,而其绑定的C++对象却被删除的情况,两者的生命周期出现了不一致。

为了解决这个问题,我们需要在C++对象被删除时,能将ATL对象同时删除;而在ATL对象的引用计数为0需要删除自身时,也能把C++对象删除。可行的解决方案是:

l  在C++类中保存一个接口指针,指向绑定在一起的ATL对象;为该接口指针赋值的最佳地点显然是提供绑定机制的Link2CPPObj函数内部,为此,还需要给Link2CPPObj添加一个IUnknown*参数

l  在C++类的析构函数中,判断该接口指针是否为空,如果不为空,则Release对接口的引用,引发ATL对象自身的析构

 

现在,技术方案如下图所示:

 

 

 

2.3. 内部创建的组件和外部创建的组件

集合型C++类组件化后仍然是集合型ATL组件,它可以创建、删除自己管理的组件。这样,组件的创建就可能有两种情况:

l  由客户直接创建

l  由客户调用集合型组件的接口方法间接创建

创建方式的不同导致了组件生命周期管理的复杂性。一般说来,组件的创建者负责维护组件的生命周期。上述两种情况下,分别由客户和集合型组件维护被创建组件的生命周期。当然还有有一种情况是,客户创建了一个组件,然后送交一个集合型组件管理,现在维护组件生命周期的责任就由客户转交给了集合型组件。

我们的解决方案必须提供这样的健壮性和灵活性,以维护各种情况下组件的生命周期。我们为ATL组件类添加一个BOOL成员m_bInnerManage,作为组件的维护标识。内部维护意味着组件的生命周期由其它组件(集合型组件)维护;外部维护则是由客户维护。

 

 

缺省情况下,组件是外部创建并维护的,在组件的构造函数内设置外部维护标识。集合型组件创建元素时,需要为元素分别创建一个C++对象和一个ATL对象,然后调用ATL对象的Link2CPPObj函数将两者绑定在一起,在Link2CPPObj函数内修改维护标识。对于第三种情况,可以在外部创建组件由客户转交给集合型组件时,在集合型组件相应方法内重新设置维护标识。

2.4. C++基类

为了对现有C++类的改动最小,我们设计一个基类封装需要为C++类添加的功能。所有需要动态组件化的C++类都必须从这个基类派生,以保证动态组件化中C++对象与ATL对象生命周期的一致。如下图示:

 

 

实现代码如下所示:

class CCPP2ATLObjBase

{

       CCPP2ATLObjBase ();

public:

       // IUnknown指针,反指向封装该CPP类的接口

       IUnknown*    m_pAssociATLUnk;

protected:

       virtual ~ CCPP2ATLObjBase ();

};

CCPP2ATLObjBase::CCPP2ATLObjBase()

{

       // 将IUnknown指针初始化为0

       m_pAssociATLUnk = NULL;

}

CCPP2ATLObjBase::~CCPP2ATLObjBase()

{

       // CPP类的对象析构时,Release对接口的引用

       if (m_pAssociATLUnk)

              m_pAssociATLUnk->Release();

}

然后,修改现有各个C++类,使之从CCPP2ATLObjBase派生,如下面代码片断所示:

class CImplement : public CCPP2ATLObjBase

{

       ……

};

2.5. ATL模板基类

通过以上分析,我们发现,所有的ATL组件类都需要实现一些相同的功能:

l  保留一个指向其绑定C++对象的指针

l  提供一个Link2CPPObj函数

l  在构造函数中创建一个绑定C++类的对象

为了减化编码,我们定义一个带参数的模板基类,实现上述公共功能,模板参数就是绑定的C++类。然后,所有的ATL组件类都从模板基类中派生。现在的技术方案如下图所示:

 

 

实现代码如下所示:

template <class T>

class CCPP2ATLTemplateBase :

{

protected:

       // C++类指针

       T*          m_pCPPObj;

       // 标识继承该模板的ATL对象是否由内部维护

       BOOL     m_bInnerManage;

public:

       /**********************************************************

         模板的构造函数,实现如下功能:

         1、new一个C++实现类对象

         2、缺省情况下,ATL对象由外部维护,将内部维护标识设为FALSE

         3、将C++类中对ATL接口的反指指针设置为空

       **********************************************************/

       CAtlCPP2ATLTemplateBase()

       {

              m_pCPPObj = new T;

              m_bInnerManage = FALSE;

              m_pCPPObj->m_pAssociATLUnk = NULL;

       }

 

       /**********************************************************

         析构ATL对象时,如果该ATL对象是由外部创建的,

         则显式的删除C++对象

         如果ATL对象由内部维护,那么什么事都不用做

       **********************************************************/

       virtual ~CAtlCPP2ATLTemplateBase()

       {

              if (!m_bInnerManage) {

                     if (m_pCPPObj)

                            delete m_pCPPObj;

              }

       }

 

       /**********************************************************

         Link2CPPObj函数,负责绑定C++对象和ATL接口

         1、删除构造函数中new的C++对象,而使用外部传入的C++对象

         2、将ATL对象的内部维护标识设为TRUE

         3、设置C++基类中的接口指针成员

         4、因为ATL接口传送给外部使用,需要增加引用计数

       **********************************************************/

       virtual void Link2CPPObj(T* pObj, IUnknown* pUnk)

       {

              ASSERT(pObj != NULL);

              ASSERT(pUnk != NULL);

 

              if (m_pCPPObj)

                     delete m_pCPPObj;

              m_pCPPObj = pObj;

              m_bInnerManage = TRUE;

              m_pCPPObj->m_pAssociATLUnk = pUnk;

              m_pCPPObj->m_pAssociATLUnk->AddRef();

       }

};

然后,每个ATL类都从该模板类派生,如下代码片断所示:

class ATL_NO_VTABLE CATLXX :

       ……,

       // 添加ATL模板基类

       public CCPP2ATLTemplateBase<CImplementXX>

{

       ……

}

3.   C++参数类型的自动化包装

在本文的技术方案中,C++类的public方法与ATL组件接口中的方法一一对应;相应的,C++类中方法的参数类型也要转换为COM规范所允许的数据类型。

在基于COM的自动化(Automation)技术中,Microsoft提供了一套自动化兼容的数据类型VARIANT所有简单数据类型都可以在VARIANT中找到对应的定义,但在多数的基于C++的系统设计中,方法参数不会仅仅出现简单数据类型,类对象、对象引用、对象指针被频繁的作为参数来传递。

以类对象、对象引用或对象指针形式存在的参数,我们称为复杂类型参数。在技术方案中,所有复杂类型参数在ATL接口方法中一律对应接口指针,我们需要提供C++对象(或引用、指针)和ATL接口指针之间的动态转换功能。

复杂类型在传入时,如何将ATL接口方法获取的接口指针转变为C++对象指针呢?对于ATL对象,可以直接取得m_pCPPObj变量,而接口指针却不能。所以,需要提供一种途径,从ATL接口指针获取ATL组件的m_pCPPObj变量值。

我们的设计是,为每个ATL组件提供一个基接口ICPPObjSeeker,实现对绑定C++对象指针(即m_pCPPObj)的查询方法HandleCPPObj。任意ATL接口都从该基接口派生,都可以调用HandleCPPObj方法。

在前文就生命周期管理进行讨论时,曾提到这样一种情况:客户创建了一个组件,然后送交集合型组件管理。在集合型组件获取外部创建的组件的同时,需要:

l  取得后者的C++对象指针。集合型组件对元素组件管理的实质是通过集合型C++对象对元素的C++对象进行管理,而集合型ATL对象和元素ATL对象之间并没有直接联系

l  修改新加入元素组件的维护标识

因此,我们为ICPPObjSeeker接口添加PostCPPObj方法,用于实现以上功能。

复杂类型在传出时只需从C++指针转换为接口指针即可。

4.   接口的继承与多态

C++类的继承应用十分广泛,动态化后的组件应该保留原C++类之间的继承关系。在我们的技术方案中,C++类和接口一一对应,C++类的继承关系也应该体现在各个接口上,如下图所示:

 

 

实现接口继承的实质是为派生ATL类添加基接口,而为一个ATL类添加接口的实质则是:

l  修改IDL文件,体现接口的继承关系

l  在ATL类中提供接口实现

修改IDL文件很简单,只需要更改派生接口的基接口即可。在ATL类中添加基接口的实现倒颇费思量,我们的做法是:

l  扩展ATL模板基类的意义,每一个ATL组件类都对应一个模板基类,都从该模板基类派生

l  派生类的模板基类,从基类的模板基类中派生;CCPP2ATLTemplateBase是模板派生树的根节点,所有的模板都派生自CCPP2ATLTemplateBase

l  所有的接口方法,都在对应的模板基类中实现

ATL派生类继承自它对应的模板基类,这个模板基类又继承自ATL基类对应的模板基类,而在ATL基类的模板基类中提供了基接口的实现。所以,ATL派生类最终继承了基接口的实现。C++类、ATL类、各模板基类的继承关系如下图所示:

 

 

在实现接口的继承后,要展现接口的多态性就很容易了,只需在ATL派生类声明的接口映射表中添加基接口表项即可。

5.   总结

为了普通C++类平滑过渡到COM组件,首先利用ATL组件包装C++类,在包装C++类时在C++类中添加了一个指向ATL组件接口的指针来解决ATL组件和C++类生命周期的一致性问题,随后我们利用C++基类和ATL模板基类简化了这些工作的实现;然后我们对C++参数类型进行了自动化包装;最后我们利用模板实现了接口的继承和多态。至此,我们就完整地实现了将普通C++类平滑过渡到COM组件。在上述实现中,C++基类CCPP2ATLObjBase、ATL模板基类CCPP2ATLTempBase和基接口ICPPObjSeeker是本方案中的关键点。CCPP2ATLObjBase配合CCPP2ATLTempBase,完善了组件对象生命周期的管理机制;通过基接口ICPPObjSeeker,我们可以从任意接口反向查询C++对象;CCPP2ATLTempBase提供了C++对象和ATL组件的自由绑定功能,封装了IDispatch接口的实现,而进一步定义的ATL模板基类继承体系则极大的方便了接口的自由继承。

当然,我们不得不特别提到Microsoft的“.Net FrameWork”。“.Net”开发框架的推出,的确解决了COM技术的许多困惑,也包括本技术方案所要解决的一些技术问题。然而“.Net Framework”是一个“改朝换代”的变化,要想一步将原来基于C++的系统(尤其是大型系统)完全移植到“.Net”平台上的工作量是不可想象的,不亚于重新开发的工作量,所以Microsoft特别推荐从COM技术到“.Net”平台的平滑移植。由此看来,本文提出的动态组件化的技术更显得可贵,它从工程化的角度,着眼于实际应用,解决了从面向对象的C++到基于组件的COM技术的许多问题,既充分保护了原有系统的积累,又为这些系统搭上日益发展的“.Net”快车提供了可能。


本文转自莫水千流博客园博客,原文链接:http://www.cnblogs.com/zhoug2020/p/5918553.html,如需转载请自行联系原作者


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