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Qt编写模块化插件式应用程序 （上篇）

Posted on 2011-07-26 06:40 RTY 阅读(510) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: Qt 、C/C++ 、转载随笔

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。

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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    
  11. #ifndef BIL_H  
  12. #define BIL_H  
  13. #include <Qt/qglobal.h> 
  14. // 定义BIL_SHARE，使用者可以不用再处理符号的导入和导出细节  
  15. #ifdef BIL_LIB  
  16. # define BIL_SHARE Q_DECL_EXPORT  
  17. #else  
  18. # define BIL_SHARE Q_DECL_IMPORT  
  19. #endif  
  20. #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.     virtual void Eat() = 0;     
  11.     virtual void Run() = 0;     
  12.     virtual void Sleep() = 0;     
  13. };     
  14.     
  15. #endif // IANIMAL_H    
  16. #ifndef IANIMAL_H  
  17. #define IANIMAL_H  
  18. #include "Bil.h"  
  19. class BIL_SHARE IAnimal  
  20. {  
  21. public:  
  22.  IAnimal();  
  23.  virtual ~IAnimal();  
  24. public:  
  25.  virtual void Eat() = 0;  
  26.  virtual void Run() = 0;  
  27.  virtual void Sleep() = 0;  
  28. };  
  29. #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：

  1. DEFINES += BIL_LIB    
  2. 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. }    
  8. #include "IAnimal.h"  
  9. IAnimal::IAnimal()  
  10. {  
  11. }  
  12. IAnimal::~IAnimal()  
  13. {  
  14. } 

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。

小结：关于Qt编写模块化插件式应用程序 （上篇）的内容介绍完了，希望本篇文章对你有所帮助。请继续阅读 Qt编写模块化插件式应用程序 （下篇）。


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