编程低手箴言(四)--Lib与DLL

 四、lib与DLL
从这一章起，我讲述的内容将特定于windows平台。其实这篇文章也可看作是我在windows下的开发经验总结，因为以后我决定转unix了。
前面有一章说编译与链接的，说得很简略，其实应该放到这一章一块儿来说的。许多单讲C++的书其实都过于学院派，对于真实的工作环境，上百个源文件怎么结合起来，几乎没有提及。我引导读者一步步看看lib与DLL是怎么回事。
一个最简单的C++程序，只需要一个源文件，这个源文件包含了如下语句
int main(){return 0;}
自然，这个程序什么也不做。
当需程序需要做事情时，我们会把越来越多的语句添加到源文件中，例如，我们会开始在main函数中添加代码：
#include
int main()
{
 printf("Hello World!/n");
 return 0;
}
由于人的智力水平的限制，当一个函数中包含了太多的语句时，便不太容易被理解，这时候开始需要子函数：
#include
void ShowHello()
{
 printf("Hello World!/n");
}
int main()
{
 ShowHello();
 return 0;
}
同样的道理，一个源文件中包含了太多的函数，同样不好理解，人们开始分多个源文件了
// main.cpp
void ShowHello();//[1]
int main()
{
 ShowHello();
 return 0;
}
// hello.cpp
#include
void ShowHello()
{
 printf("Hello World!/n");
}
将这两个文件加入到一个VC工程中，它们会被分别编译，最后链接在一起。在VC编译器的输出窗口，你可以看到如下信息
--------------------Configuration: hello - Win32 Debug--------------------
Compiling...
main.cpp
hello.cpp
Linking...

hello.exe - 0 error(s), 0 warning(s)

这展示了它们的编译链接过程。
接下来，大家就算不知道也该猜到，当一个工程中有太多的源文件时，它也不好理解，于是，人们想到了一种手段：将一部分源文件预先编译成库文件，也即lib文件，当要使用其中的函数时，只需要链接lib文件就可以了，而不用再理会最初的源文件。
在VC中新建一个static library类型的工程，加入hello.cpp文件，然后编译，就生成了lib文件，假设文件名为hello.lib。
别的工程要使用这个lib有两种方式：
1 在工程选项-〉link-〉Object/Library Module中加入hello.lib
2 可以在源代码中加入一行指令
 #pragma comment(lib, "hello.lib")
 注意这个不是C++语言的一部分，而是编译器的预处理指令，用于通知编译器需要链接hello.lib

根据个人爱好任意使用一种方式既可。
这种lib文件的格式可以简单的介绍一下，它实际上是任意个obj文件的集合。obj文件则是cpp文件编译生成的，在本例中，lib文件只包含了一个obj文件，如果有多个cpp文件则会编译生成多个obj文件，从而生成的lib文件中也包含了多个obj，注意，这里仅仅是集合而已，不涉及到link，所以，在编译这种静态库工程时，你根本不会遇到链接错误。即使有错，错误也只会在使用这个lib的EXE或者DLL工程中暴露出来。

关于静态lib，就只有这么多内容了，真的很简单，现在我们介绍另外一种类型的lib，它不是obj文件的集合，即里面不含有实际的实现，它只是提供动态链接到DLL所需要的信息。这种lib可以在编译一个DLL工程时由编译器生成。涉及到DLL，问题开始复杂起来，我不指望在本文中能把DLL的原理说清楚，这不是本文的目标，我介绍操作层面的东西。

简单的说，一个DLL工程和一个EXE工程的差别有两点：
1 EXE的入口函数是main或者WinMain，而DLL的入口函数是DllMain
2 EXE的入口函数标志着一段处理流程的开始，函数退出后，流程处理就结束了，而DLL的入口函数对系统来说，只是路过，加载DLL的时候路过一次，卸载DLL的时候又路过一次[2]，你可以在DLL入口函数中做流程处理，但这通常不是DLL的目的，DLL的目的是要导出函数供其它DLL或EXE使用。你可以把DLL和EXE的关系理解成前面的main.cpp和hello.cpp的关系，有类似，实现手段不同罢了。

先看如何写一个DLL以及如何导出函数，读者应该先尝试用VC创建一个新的动态链接库工程，创建时选项不选空工程就可以了，这样你能得到一个示例，以便开始在这个例子基础上工作。
看看你创建的例子中的头文件有类似这样的语句：
#ifdef DLL_EXPORTS
#define DLL_API __declspec(dllexport)
#else
#define DLL_API __declspec(dllimport)
#endif
这就是函数的导出与使用导出函数的全部奥妙了。你的DLL工程已经在工程设置中定义了一个宏DLL_EXPORTS，因此你的函数声明只要前面加DLL_API就表示把它导出，而DLL的使用者由于没有定义这个宏，所以它包含这个头文件时把你的函数看作导入的。通过模仿这个例子，你就可以写一系列的标记为导出的函数了。
导出函数还有另一种方法，是使用DEF文件，DEF文件的作用，在现在来说只是起到限定导出函数名字的作用，这里，我们要引出第二种[4]使用DLL的方法：称为显示加载，通过Windows API的LoadLibrary和GetProcAddress这两个函数来实现[5]，这里GetProcAddress的参数需要一个字符串形式的函数名称，如果DLL工程中没有使用DEF文件，那么很可能你要使用非常奇怪的函数名称（形如：?fnDll@@YAHXZ）才能正确调用，这是因为C++中的函数重载机制把函数名字重新编码了，如果使用DEF文件，你可以显式指定没编码前的函数名。

有了这些知识，你可以开始写一些简单的DLL的应用，但是我可以百分之百的肯定，你会遇到崩溃，而之前的非DLL的版本则没有问题。假如你通过显式加载来使用DLL，有可能会是调用约定不一致而引起崩溃，所谓调用约定就是函数声明前面加上__stdcall __cdecl等等限定词，注意一些宏如WINAPI会定义成这些限定词之一，不理解他们没关系，但是记住一定要保持一致，即声明和定义时一致，这在用隐式加载时不成问题，但是显示加载由于没有利用头文件，就有可能产生不一致。
调用约定并不是我真正要说的，虽然它是一种可能。我要说的是内存分配与释放的问题。请看下面代码：
void foo(string& str)
{
 str = "hello";
}
int main()
{
 string str;
 foo(str);
 printf("%s/n", str.c_str());
 return 0;
}
当函数foo和main在同一个工程中，或者foo在静态库中时，不会有问题，但是如果foo是一个DLL的导出函数时，请不要这么写，它有可能会导致崩溃[6]。崩溃的原因在于“一个模块中分配的内存在另一个模块中释放”，DLL与EXE分属两个模块，例子中foo里面赋值操作导致了内存分配，而main中return语句之后，string对象析构引起内存释放。
我不想穷举全部的这类情况，只请大家在设计DLL接口时考虑清楚内存的分配释放问题，请遵循谁分配，谁释放的原则来进行。
如果不知道该怎么设计，请抄袭我们常见的DLL接口--微软的API的做法，如：
CreateDC
ReleaseDC
的成对调用，一个函数分配了内存，另外一个函数用来释放内存。
回到我们有可能崩溃的例子中来，怎么修改才能避免呢？
这可以做为一个练习让读者来做，这个练习用的时间也许会比较长，如果你做好了，那么你差不多就出师了。一时想不到也不用急，我至少见过两个有五年以上经验的程序员依然犯这样的错误。

注[1]：为了说明的需要，我这里使用直接声明的方式，实际工程中是应该使用头文件的。
注[2]: 还有线程创建与销毁也会路过DLL的入口，但是这对新手来说意义不大。
注[3]：DEF文件格式很简单，关于DEF文件的例子，可以通过新建一个ATL COM工程看到。
注[4]：第一种方法和使用静态库差不多，包含头文件，链接库文件，然后就像是使用普通函数一样，称为隐式加载。
注[5]：具体调用方法请参阅MSDN。
注[6]：之所以说有可能是因为，如果两个工程的设置都是采用动态连接到运行库，那么分配释放其实都在运行库的DLL中进行，那么这种情况便不会发生崩溃。
<未完待续>