DLL导出类避免地狱问题的完美解决方案

待我称王封你为后i 2022-02-05 11:11 204阅读 0赞

DLL动态链接库是程序复用的重要方式，DLL可以导出函数，使函数被多个程序复用，DLL中的函数实现可以被修改而无需重新编译和连接使用该DLL的应用程序。作为一名面向对象的程序员，希望DLL可以导出类，以便在类的层次上实现复用。所幸的是，DLL确实也可以导出类。

然而事实却没这么简单，导出类的DLL在维护和修改时有很多地方必需很小心，增加成员变量、修改导出类的基类等操作都可能导致意想不到的后果，也许用户更新了最新版本的DLL库后，应用程序就再也不能工作了。这就是著名的DLL Hell（DLL地狱）问题。

DLL地狱问题是怎么产生的呢？看下面的例子，假设DLL有一个导出类ClassD1：

class ClassD
    {
     public: 
         int GetInt();
     private:
         int m_i;
    };
    
    
    int ClassD::GetInt()
    {
         return m_i;
    }

应用程序使用现在的代码来使用这个类：

ClassD d;
    printf(“%d”, d.GetInt());

程序进行正正常，没有什么问题。后来DLL需要升级，对ClassD进行了修改，增加了一个成员变量，如下：

class ClassD // 修改后
    {
     public:
         int GetInt();
     private:
         int m_i2;
         int m_i;
    };

把新的DLL编译连接完成后，复制到应用程序目录，这个倒楣的应用程序调用GetInt方法恐怕再也无法得正确的值了。事实上它还算幸运的，如果GetInt的实现改成如下这样，那么它马上就要出错退出了。

int ClassD::GetInt() // 修改后
    {
        return m_i++;
    }

这样的事情，称它是个地狱（Hell）一点也不夸张。为什么会出错呢？我们要先从类实例的创建开始，看看使用一个类的工作过程。

首先，程序语句“ClassD d；”为这个类申请一块内存。这块内存保存该类的所有成员变量，以及虚函数表。内存的大小由类的声明决定，在应用程序编译时就已经确定。  
然后，当调用“d.GetInt()”时，把申请的这一块内存做为this指针传给 GetInt函数，GetInt函数从this指向的位置开始，加上m\_i应有的偏移量，计算m\_i所在的内存位置，并从该位置取数据返回。m\_i相对 this的偏移量是由m\_i在类中定义的位置决定的，定义在前的成员变量在内存中也更靠前。这个偏移量在DLL编译时确定。

当ClassD的定义改为修改后的状态时，有些东西变了。

第一个变的是内存的大小。因为修改后的ClassD多了一个成员变量，所以内存也变大了。然而这一点应用程序并不知道。

第二个变的是m\_i的偏移地址。因为在m\_i之前定义了一个m\_i2，m\_i的实现偏移地址实际已经靠后了。所以d.GetInt()访问的将是原来m\_i后面的那个位置，而这个位置已经超出原来那块内存的后部范围了。

很显然，在更换了DLL后，应用程序还按原来的大小申请了一块内存，而它调用的方法却访问了比这块内存更大的区域，出错再在所难免。

同样的情形还会发生在以下这些种情况中：  
1） 应用程序直接访问类的公有变量，而该公有变量在新DLL中定义的位置发生了变化；  
2） 应用程序调用类的一个虚函数，而新的类中，该虚函数的前面又增加了一个虚函数；  
3） 新类的后面增加了成员变量，并且新类的成员函数将访问、修改这些变量；  
4） 修改了新类的基类，基类的大小发生了变化；  
等等，总言而之，一不小心，你的程序就会掉进地狱。

通过对这些引起出错的情况进行分析，会发现其实只有三点变化会引起出错，因为这三点是使用这个DLL的应用程序在编译时就需要确定的内容，它们分别是：  
1） 类的大小；  
2） 类成员的偏移地址；  
3） 虚函数的顺序。

要想做一个可升级的DLL，必需避免以上三个问题。所以以下三点用来使DLL远离地狱。

1，不直接生成类的实例。对于类的大小，当我们定义一个类的实例，或使用new语句生成一个实例时，内存的大小是在编译时决定的。要使应用程序不依赖于类的大小，只有一个办法：应用程序不生成类的实例，使用DLL中的函数来生成。把导出类的构造函数定义为私有的(privated)，在导出类中提供静态(static)成员函数(如NewInstance())用来生成类的实例。因为 NewInstance()函数在新的DLL中会被重新编译，所以总能返回大小正确的实例内存。

2，不直接访问成员变量。应用程序直接访问类的成员变量时会用到该变量的偏移地址。所以避免偏移地址依赖的办法就是不要直接访问成员变量。把所有的成员变量的访问控制都定义为保护型(protected)以上的级别，并为需要访问的成员变量定义Get或Set方法。Get或Set方法在编译新DLL时会被重新编译，所以总能访问到正确的变量位置。

3，忘了虚函数吧，就算有也不要让应用程序直接访问它。因为类的构造函数已经是私有 (privated)的了，所以应用程序也不会去继承这个类，也不会实现自己的多态。如果导出类的父类中有虚函数，或设计需要（如类工场之类的框架），一定要把这些函数声明为保护的(protected)以上的级别，并为应用程序重新设计调用该虑函数的成员函数。这一点也类似于对成员变量的处理。

如果导出的类能遵循以上三点，那么以后对DLL的升级将可以认为是安全的。

如果对一个已经存在的导出类的DLL进行维护，同样也要注意：不要改动所有的成员变量，包括导出类的父类，无论定义的顺序还是数量；不要动所有的虚函数，无论顺序还是数量。

总结起来，其实是一句话：导出类的DLL不要导出除了函数以外的任何内容。听起来是不是有点可笑呢！

事实上，建议你在发布导出类的DLL的时候，重新定义一个类的声明，这个声明可以不管原来的类里的成员变量之类的，只把接口函数列在类的声明里，如下面的例子：

class ClassInterface
    {
     privated:
          ClassInterface();
     public:
          static ClassInterface * NewInstance();
          int GetXXX();
          void SetXXX();
          void Function();
    };

使用该DLL的应用程序用上面的定义作为ClassInterface的头文件，便不会有任何可能导致的安全问题。

DLL地狱问是归根结底是因为DLL当初是作为函数级共享库设计的，并不能真正提供一个类所必需的信息。类层上的程序复用只有Java和C\#生成的类文件才能做到。

感谢原作者的分享！

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