C++类导出DLL
介绍
DLL允许用外部用户可以使用的显式C函数列表将一部分功能封装在独立模块中。1980年，当Windows DLL被推广到世界时，对广大开发人员来说唯一可行的选择就是C语言。因此，Windows dll自然将其功能公开为C函数和数据。在内部，一个DLL可以用任何语言实现，但是为了在其他语言和环境中使用，一个DLL接口应该回到最小的公分母——C语言。
使用C接口并不意味着开发人员应该放弃面向对象的方法。即使是C接口也可以用于真正的面向对象编程，但是它可能是一种冗长乏味的方式。C++与C语言相反，在C语言中，调用者和被调用者之间的二进制接口定义良好并被广泛接受，在c++世界中，没有可识别的应用程序二进制接口(ABI)。实际上，这意味着c++编译器生成的二进制代码与其他c++编译器不兼容。此外，同一个c++编译器的二进制代码可能与该编译器的其他版本不兼容。所有这些使得从DLL导出c++类变得非常困难。
本文的目的是展示几种从DLL模块导出c++类的方法。Xyz对象的实现在DLL中，可以分发给广泛的客户端。用户可以通过以下方式访问Xyz功能:
- 纯C接口
- 常规C++类
- 抽象C++接口
源代码包含两个工程：
- Xyz Library - DLL库工程
- Xyz Executable - 调用DLL的工程
C语言方法
面向对象编程的经典C语言方法是使用不透明指针，即handle。用户调用在内部创建对象的函数，并返回该对象的句柄。然后，用户调用接受句柄作为参数的各种函数，并对对象执行各种操作。句柄用法的一个很好的例子是Win32窗口API，它使用HWND句柄来表示窗口。假想的Xyz对象通过C接口导出，像这样:
typedef struct tagXYZHANDLE{}*XYZHANDLE;
// void pointer point to c++ object
EXTERN_C XYZAPI XYZHANDLE GetXyz();
// initialize a object
EXTERN_C XYZAPI int XyzFoo(XYZHANDLE handle, int n);
// cpp class function API for user
EXTERN_C XYZAPI void XyzRelease(XYZHANDLE handle);
// release handle(obejct)
所有关于的类定义全部隐藏在cpp中，头文件中只有handle定义以及对外接口的定义。至于这种接口设计怎么使用，可以参考下面的代码：
#include "Xyz.h"
#include
int main()
{
XYZHANDLE handle = GetXyz(); // create a object
int k = XyzFoo(handle, 4); // use class interface
std::cout << k << std::endl;
XyzRelease(handle); // release memory
return 0;
}
这种方法需要显式的调用创建和释放对象的函数。
异常安全
不允许c++异常跨越DLL边界。C语言对c++异常一无所知，也不能正确地处理它们。如果一个对象方法需要报告一个错误，那么应该使用一个返回值表示错误。
优点
- 一个DLL可以被最广泛的编程受众使用。几乎每一种现代编程语言都支持与普通C函数的互操作性。
- DLL的C运行时库和客户端是相互独立的。由于资源的获取和释放完全发生在DLL模块中，客户端不受DLL对CRT选择的影响。
缺点
- 调用对象的正确实例的正确方法的责任取决于DLL的用户。简单来说就是创建的handle是没有类型的指针，指向的对象需要靠用户正确的调用创建handle的函数，编译器无法进行类型的检查。
- 为了创建和销毁对象实例，需要显式的函数调用。这在删除实例时尤其恼人。客户端函数必须小心翼翼地在函数的所有退出点插入对XyzRelease的调用。如果开发人员忘记调用XyzRelease，那么资源就会泄漏，因为编译器不能帮助跟踪对象实例的生存期。
- 如果对象方法返回或接受其他对象作为参数，那么DLL作者也必须为这些对象提供适当的C接口。另一种方法是使用最小的公分母，即C语言，只使用内置类型(如int、double、char*等)作为返回类型和方法参数。
C++ 朴素方法
几乎存在于Windows平台上的所有现代c++编译器都支持从DLL导出c++类。导出一个c++类非常类似于导出C函数。如果需要导出整个类，开发人员需要做的就是在类名之前使用declspec(dllexport/dllimport)说明符;如果只需要导出特定的类方法，则在方法声明之前使用。以下是代码片段:
class XYZAPI CXyz
{
public:
int foo(int n);
} // whole class is export with all methods and members
class CXyz
{
public:
XYZAPI int foo(int n);
} // only foo method is export.
你看到不是你获得的
根据c++标准，每个类都有四个特殊的成员函数:
- 默认构造函数
- 复制构造函数
- 析构函数
- 赋值操作(operator =)
如果类的作者没有声明也没有提供这些成员的实现，那么c++编译器将声明它们，并生成隐式的默认实现。对于CXyz类，编译器认为默认构造函数、复制构造函数和析构函数都很简单，并对它们进行了优化。但是，赋值操作符经过了优化并从DLL中导出。
还有一个非常重要的问题，如下所示：
class Base
{
...
};
class Data
{
...
};
// MS Visual C++ compiler emits C4275 warning about not exported base class.
class __declspec(dllexport) Derived :
public Base
{
...
private:
Data m_data; // C4251 warning about not exported data member.
};
在上面的代码片段中，编译器将警告您没有导出数据成员的基类和类。因此，为了成功导出一个c++类，开发人员需要导出所有相关的基类和用于定义数据成员的所有类。这种滚雪球式导出要求是一个显著的缺点。这就是为什么导出从STL模板派生的类或者使用STL模板作为数据成员是非常困难和无聊的。
异常安全
导出的c++类可能会毫无问题地抛出异常。因为一个DLL和它的客户端都使用相同版本的同一个c++编译器，所以c++异常会跨DLL边界抛出和捕获，就好像根本没有边界一样。请记住，使用导出c++代码的DLL与使用具有相同代码的静态库是相同的。
优点
- 导出的c++类可以像其他任何c++类一样使用。
- 客户端可以毫无问题地捕获DLL中抛出的异常。
- 当在DLL模块中只做了很小的更改时，其他模块不需要重新构建。这对于涉及大量代码的大型项目非常有益。
- 将一个大型项目中的逻辑模块分离为DLL模块可以看作是实现真正模块分离的第一步。总的来说，这是一种有益的活动，可以提高项目的模块化。
缺点
- 从DLL导出c++类并不能防止对象与其用户之间的紧密耦合。就代码依赖而言，DLL应该被视为一个静态库。
- 客户端代码和DLL必须动态链接到相同版本的CRT。这是必要的，以使正确统计模块之间的CRT资源。如果客户端和DLL链接到不同版本的CRT，或者静态链接到CRT，那么在一个CRT实例中获得的资源将在另一个CRT实例中释放。它将破坏尝试操作外部资源的CRT实例的内部状态，并且很可能导致崩溃。
- 客户端代码和DLL必须就异常处理/传播模型达成一致，并且对c++异常使用相同的编译器设置。
- 导出一个c++类需要导出与这个类相关的所有内容:它的所有基类、用于定义数据成员的所有类，等等。
C++ 成熟方法：使用抽象接口
一个c++抽象接口(例如一个只包含纯虚函数而不包含数据成员的c++类)试图两全其美:一个独立于编译器的对象接口，以及一个方便的面向对象的方法调用方式。所需要做的就是提供带有接口声明的头文件，并实现返回新创建对象实例的工厂函数。只有工厂函数必须用__declspec(dllexport/dllimport)说明符声明。该接口不需要任何额外的说明符。
struct IXyz
{
virtual int Foo(int n) = 0;
virtual void Release() = 0;
};
// Factory function that creates instances of the Xyz object.
extern "C" XYZAPI IXyz* APIENTRY GetXyz();
在上面的代码片段中，工厂函数GetXyz被声明为extern “C”。这是必需的，以防止混淆函数名。因此，这个函数被公开为一个普通的C函数，并且很容易被任何兼容C的编译器识别。当使用抽象接口时，客户端代码看起来是这样的:
#include "Xyz.h"
#include
int main()
{
IXyz *xyz = GetXyz();
int k=xyz->Foo(12);
xyz->Release();
std::cout << k << std::endl;
return 0;
}
c++不像其他编程语言(例如c#或Java)那样为接口提供特殊的概念。但这并不意味着c++不能声明和实现接口。创建c++接口的常见方法是声明一个没有任何数据成员的抽象类。然后，另一个单独的类继承接口并实现接口方法，这样可以实现对接口客户端隐藏实现。客户端既不知道也不关心接口是如何实现的。它只知道哪些方法是可用的，以及它们的作用。
使用标准C++智能指针
MS Visual c++的最新版本提供了带有标准c++库的智能指针。下面是使用std::shared_ptr类的Xyz对象的例子:
#include "Xyz.h"
#include
#include
#include
int main()
{
typedef std::shared_ptr IXyzPtr;
IXyzPtr ptr(GetXyz(), std::mem_fn(&IXyz::Release));
if (ptr)
{
int k = ptr->Foo(12);
std::cout << k << std::endl;
}
return 0;
}
异常安全
就像COM接口不允许泄漏任何内部异常一样，抽象c++接口也不允许任何内部异常突破DLL的边界。类方法应该使用返回代码来指示错误。处理c++异常的实现对每个编译器都是特定的，不能共享。因此，在这方面，一个抽象的c++接口应该表现得像一个普通的C函数。
优点
- 导出的c++类可以通过抽象接口在任何c++编译器中使用。
- DLL的C运行时库和客户端是相互独立的。由于资源的获取和释放完全发生在DLL模块中，客户端不受DLL对CRT选择的影响。
- 实现了真正的模块分离。可以重新设计和重新生成DLL模块，而不影响项目的其余部分。
- 如果需要，DLL模块可以很容易地转换为成熟的COM模块。
缺点
- 需要显式的函数调用来创建新的对象实例并删除它。但是，智能指针可以为开发人员节省后一种调用的时间。
- 抽象接口方法不能返回或接受常规c++对象作为参数。它可以是内置的类型(比如int、double、char*等)，也可以是另一个抽象接口。它与COM接口有相同的限制。
原文链接：HowTo: Export C++ classes from a DLL
本文示例代码：github