dlopen加载c++ 函数及类

问题所在
　　有时你想在运行时加载一个库（并使用其中的函数），这在你为你的程序写一些插件或模块架构的时候经常发生。
　　在C语言中，加载一个库轻而易举（调用dlopen、dlsym和dlclose就够了），但对C++来说，情况稍微复杂。动态加载一个C++库的困难一部分是因为C++的name mangling（译者注：也有人把它翻译为“名字毁坏”，我觉得还是不翻译好），另一部分是因为dlopen API是用C语言实现的，因而没有提供一个合适的方式来装载类。
　　在解释如何装载C++库之前，最好再详细了解一下name mangling。我推荐您了解一下它，即使您对它不感兴趣。因为这有助于您理解问题是如何产生的，如何才能解决它们。

　　Name Mangling
　　在每个C++程序（或库、目标文件）中，所有非静态（non-static）函数在二进制文件中都是以“符号（symbol）”形式出现的。这些符号都是唯一的字符串，从而把各个函数在程序、库、目标文件中区分开来。
　　在C中，符号名正是函数名：strcpy函数的符号名就是“strcpy”，等等。这可能是因为两个非静态函数的名字一定各不相同的缘故。
　　而C++允许重载（不同的函数有相同的名字但不同的参数），并且有很多C所没有的特性──比如类、成员函数、异常说明──几乎不可能直接用函数名作符号名。为了解决这个问题，C++采用了所谓的name mangling。它把函数名和一些信息（如参数数量和大小）杂糅在一起，改造成奇形怪状，只有编译器才懂的符号名。例如，被mangle后的foo可能看起来像foo@4%6^，或者，符号名里头甚至不包括“foo”。
　　其中一个问题是，C++标准（目前是[ISO14882]）并没有定义名字必须如何被mangle，所以每个编译器都按自己的方式来进行name mangling。有些编译器甚至在不同版本间更换mangling算法（尤其是g++ 2.x和3.x）。即使您搞清楚了您的编译器到底怎么进行mangling的，从而可以用dlsym调用函数了，但可能仅仅限于您手头的这个编译器而已，而无法在下一版编译器下工作。

　　类
　　使用dlopen API的另一个问题是，它只支持加载函数。但在C++中，您可能要用到库中的一个类，而这需要创建该类的一个实例，这不容易做到。

解决方案

　　extern "C"
　　C++有个特定的关键字用来声明采用C binding的函数：extern "C" 。 用 extern "C"声明的函数将使用函数名作符号名，就像C函数一样。因此，只有非成员函数才能被声明为extern "C"，并且不能被重载。尽管限制多多，extern "C"函数还是非常有用，因为它们可以象C函数一样被dlopen动态加载。冠以extern "C"限定符后，并不意味着函数中无法使用C++代码了，相反，它仍然是一个完全的C++函数，可以使用任何C++特性和各种类型的参数。

　　加载函数
　　在C++中，函数用dlsym加载，就像C中一样。不过，该函数要用extern "C"限定符声明以防止其符号名被mangle。
　　
　　示例1.加载函数

代码:

--------------------------------------------------------------------------------
//----------
//main.cpp:
//----------
#include <iostream>
#include <dlfcn.h>

int main() {
    using std::cout;
    using std::cerr;

    cout << "C++ dlopen demo\n\n";

    // open the library
    cout << "Opening hello.so...\n";
    void* handle = dlopen("./hello.so", RTLD_LAZY);
   
    if (!handle) {
        cerr << "Cannot open library: " << dlerror() << '\n';
        return 1;
    }
   
    // load the symbol
    cout << "Loading symbol hello...\n";
    typedef void (*hello_t)();

    // reset errors
    dlerror();
    hello_t hello = (hello_t) dlsym(handle, "hello");
    const char *dlsym_error = dlerror();
    if (dlsym_error) {
        cerr << "Cannot load symbol 'hello': " << dlsym_error <<
            '\n';
        dlclose(handle);
        return 1;
    }
   
    // use it to do the calculation
    cout << "Calling hello...\n";
    hello();
   
    // close the library
    cout << "Closing library...\n";
    dlclose(handle);
}

//----------
// hello.cpp:
//----------
#include <iostream>

extern "C" void hello() {
    std::cout << "hello" << '\n';
}
--------------------------------------------------------------------------------

　　在hello.cpp中函数hello被定义为extern "C"。它在main.cpp中被dlsym调用。函数必须以extern "C"限定，否则我们无从知晓其符号名。
　　警告：
　　extern "C"的声明形式有两种：上面示例中使用的那种内联（inline）形式extern "C" ， 还有才用花括号的extern "C" { ... }这种。 第一种内联形式声明包含两层意义：外部链接(extern linkage)和C语言链接(language linkage)，而第二种仅影响语言链接。
　　下面两种声明形式等价：

代码:

--------------------------------------------------------------------------------
extern "C" int foo;
extern "C" void bar();
--------------------------------------------------------------------------------

和

代码:

--------------------------------------------------------------------------------
extern "C" {
    extern int foo;
    extern void bar();
}
--------------------------------------------------------------------------------

　　对于函数来说，extern和non-extern的函数声明没有区别，但对于变量就有不同了。如果您声明变量，请牢记：

代码:

--------------------------------------------------------------------------------
extern "C" int foo;
--------------------------------------------------------------------------------

和

代码:

--------------------------------------------------------------------------------
extern "C" {
    int foo;
}
--------------------------------------------------------------------------------

　　是不同的物事(译者注：简言之，前者是个声明; 而后者不仅是声明，也可以是定义)。
　　进一步的解释请参考[ISO14882],7.5, 特别注意第7段; 或者参考[STR2000]，9.2.4。在用extern的变量寻幽访胜之前，请细读“其他”一节中罗列的文档。

　　加载类
　　加载类有点困难，因为我们需要类的一个实例，而不仅仅是一个函数指针。我们无法通过new来创建类的实例，因为类不是在可执行文件中定义的，况且（有时候）我们连它的名字都不知道。
　　解决方案是：利用多态性！ 我们在可执行文件中定义一个带虚成员函数的接口基类，而在模块中定义派生实现类。通常来说，接口类是抽象的（如果一个类含有虚函数，那它就是抽象的）。
　　因为动态加载类往往用于实现插件，这意味着必须提供一个清晰定义的接口──我们将定义一个接口类和派生实现类。
　　接下来，在模块中，我们会定义两个附加的helper函数，就是众所周知的“类工厂函数（class factory functions）（译者注：或称对象工厂函数）”。其中一个函数创建一个类实例，并返回其指针; 另一个函数则用以销毁该指针。这两个函数都以extern "C"来限定修饰。
　　为了使用模块中的类，我们用dlsym像示例1中加载hello函数那样加载这两个函数，然后我们就可以随心所欲地创建和销毁实例了。

　　示例2.加载类
　　我们用一个一般性的多边形类作为接口，而继承它的三角形类（译者注：正三角形类）作为实现。

代码:

--------------------------------------------------------------------------------
//----------
//main.cpp:
//----------
#include "polygon.hpp"
#include <iostream>
#include <dlfcn.h>

int main() {
    using std::cout;
    using std::cerr;

    // load the triangle library
    void* triangle = dlopen("./triangle.so", RTLD_LAZY);
    if (!triangle) {
        cerr << "Cannot load library: " << dlerror() << '\n';
        return 1;
    }

    // reset errors
    dlerror();
   
    // load the symbols
    create_t* create_triangle = (create_t*) dlsym(triangle, "create");
    const char* dlsym_error = dlerror();
    if (dlsym_error) {
        cerr << "Cannot load symbol create: " << dlsym_error << '\n';
        return 1;
    }
   
    destroy_t* destroy_triangle = (destroy_t*) dlsym(triangle, "destroy");
    dlsym_error = dlerror();
    if (dlsym_error) {
        cerr << "Cannot load symbol destroy: " << dlsym_error << '\n';
        return 1;
    }

    // create an instance of the class
    polygon* poly = create_triangle();

    // use the class
    poly->set_side_length(7);
        cout << "The area is: " << poly->area() << '\n';

    // destroy the class
    destroy_triangle(poly);

    // unload the triangle library
    dlclose(triangle);
}

//----------
//polygon.hpp:
//----------
#ifndef POLYGON_HPP
#define POLYGON_HPP

class polygon {
protected:
    double side_length_;

public:
    polygon()
        : side_length_(0) {}

    virtual ~polygon() {}

    void set_side_length(double side_length) {
        side_length_ = side_length;
    }

    virtual double area() const = 0;
};

// the types of the class factories
typedef polygon* create_t();
typedef void destroy_t(polygon*);

#endif

//----------
//triangle.cpp:
//----------
#include "polygon.hpp"
#include <cmath>

class triangle : public polygon {
public:
    virtual double area() const {
        return side_length_ * side_length_ * sqrt(3) / 2;
    }
};

// the class factories
extern "C" polygon* create() {
    return new triangle;
}

extern "C" void destroy(polygon* p) {
    delete p;
}
--------------------------------------------------------------------------------

　　加载类时有一些值得注意的地方：
　　◆ 你必须（译者注：在模块或者说共享库中）同时提供一个创造函数和一个销毁函数，且不能在执行文件内部使用delete来销毁实例，只能把实例指针传递给模块的销毁函数处理。这是因为C++里头，new操作符可以被重载;这容易导致new-delete的不匹配调用，造成莫名其妙的内存泄漏和段错误。这在用不同的标准库链接模块和可执行文件时也一样。
　　◆ 接口类的析构函数在任何情况下都必须是虚函数（virtual）。因为即使出错的可能极小，近乎杞人忧天了，但仍旧不值得去冒险，反正额外的开销微不足道。如果基类不需要析构函数，定义一个空的（但必须虚的）析构函数吧，否则你迟早要遇到问题，我向您保证。你可以在comp.lang.c++ FAQ( http://www.parashift.com/c++-faq-lite/ )的第20节了解到更多关于该问题的信息。

源代码
　　你可以下载所有包含在本文档中的代码包： http://www.isotton.com/howtos/C++-dl...xamples.tar.gz