COM接口聚合实现解惑(C++虚表)

最近看潘爱民的《COM原理与应用》,看到接口的聚合实现时,产生一个疑惑。COM的这个特性的背后隐藏着一个关于C++虚表的知识点。如果对C++的虚表没有一定的认识就会被绕进去,被搞得稀里糊涂。经过和朋友的一番探讨总算搞清楚。特整理成此文

我们知道支持被聚合使用的CA接口要实现一组和IUnknown接口一致的非委托Unknown接口,这一组接口完成实际的QueryInterface, AddRef 和 Release的工作。而真正的IUnknow接口的工作就仅仅是判断该对象是否是被聚合使用(通过一个指向IUnknown的指针成员m_pUnknownOuter),如果该对象被聚合使用(m_pUnknownOuter不等于Null)则将调用转向m_pUnknownOuter所指的外部对象CB.

CB在初始化时,聚合使用了CA。如下:

HRESULT CB::Init()
{
    IUnknown *pUnknownOuter = (IUnknown *)this;
    HRESULT result = ::CoCreateInstance(CLSID_CompA, pUnknownOuter,
                        CLSCTX_INPROC_SERVER,
                        IID_IUnknown, (void **)& m_pUnknownInner) ;

    if (FAILED(result))
            return E_FAIL;
    
    result = m_pUnknownInner->QueryInterface(IID_SomeInterface, (void **)&m_pCAInterface);
        if (FAILED(result))
    {
        m_pUnknownInner->Release();
        return E_FAIL;
    }

    pUnknownOuter->Release();
    return S_OK;
}

1) CB调用CoCreateInstance聚合使用CA时,CB的m_pUnknownInner指向了CA对象,而CA对象的m_pUnknownOuter成员也指向了CB对象。

2) CB调用m_pUnknownInner->QueryInterface(IID_CAInterface, (void **)&m_pCAInterface); 来请求CA的接口,CA的QueryInterface如下:

HRESULT CA::QueryInterface(const IID& iid, void **ppv)
{
    if  ( m_pUnknownOuter != NULL )
    {
        return m_pUnknownOuter->QueryInterface(iid, ppv);
    }
    else
    {
        return NondelegationQueryInterface(iid, ppv);
    }
}

由于CA对象的m_pUnknownOuter不等于Null, 调用将被转到CB (return m_pUnknownOuter->QueryInterface(iid, ppv);)
那么来看看CB的QueryInterface:

HRESULT CB::QueryInterface(const IID& iid, void **ppv)
{
    if ( iid == IID_IUnknown )
    {
        *ppv = (IUnknown *) this ;
        ((IUnknown *)(*ppv))->AddRef() ;
    } else if ( iid == IID_OtherInterface )
    {
        *ppv = (IOtherInterface *) this ;
        ((IOtherInterface *)(*ppv))->AddRef() ;
    } else if ( iid == IID_SomeInterface)
    {
        return m_pUnknownInner->QueryInterface(iid, ppv) ;
    }
else
    {
        *ppv = NULL;
        return E_NOINTERFACE ;
    }
    return S_OK;
}

CB又将调用转给了CA, CA又再转给CB,,, 死循环!!

不过,实际上,例子程序运行正常,并没有产生死循环。这当中发生了一些我们不知道的事情。这就是C++的虚表在作怪!下来,我们来分析为什么程序运行时没有进入死循环。

先给出CA的定义:
class INondelegatingUnknown
{
public:
  virtual HRESULT  __stdcall  NondelegationQueryInterface(const IID& iid, void **ppv) = 0 ;
    virtual ULONG     __stdcall  NondelegatingAddRef() = 0;
    virtual ULONG     __stdcall  NondelegationRelease() = 0;
};

class CA : public ISomeInterface, public INondelegatingUnknown
{
protected:
     ULONG           m_Ref;

public:
     CA(IUnknown *pUnknownOuter);
     ~CA();

public :
    // Delegating IUnknown
    virtual HRESULT      __stdcall  QueryInterface(const IID& iid, void **ppv) ;
    virtual ULONG      __stdcall  AddRef() ;
    virtual ULONG      __stdcall  Release() ;

    // Nondelegating IUnknown
    virtual HRESULT   __stdcall  NondelegationQueryInterface(const IID& iid, void **ppv);
    virtual ULONG      __stdcall  NondelegatingAddRef();
    virtual ULONG      __stdcall  NondelegationRelease();

    virtual HRESULT __stdcall SomeFunction( ) ;

    private :
        IUnknown  *m_pUnknownOuter;  // pointer to outer IUnknown
};

仔细读《COM原理与应用》第105页,第4行。“(2) CoCreateInstance函数返回之后,得到了m_pUnknownInner指针,指向对象A的非委托IUnknown。”
在CB的Init中,虽然m_pUnknownInner是一个IUnknow*指针,但得到的是Nondelegating IUnknown接口,而不是IUnknown接口。
所以在后面的第二步 result = m_pUnknownInner->QueryInterface(IID_SomeInterface, (void **)&m_pCAInterface); 时实际被调用的是NondelegationQueryInterface(const IID& iid, void **ppv);

请仔细看CA的Nondelegating IUnknown接口实现:
HRESULT CA::NondelegationQueryInterface(const IID& iid, void **ppv)
{
    if ( iid == IID_IUnknown )
    {
       *ppv = (INondelegatingUnknown *) this ;
         ((IUnknown *)(*ppv))->AddRef() ;
    } else if ( iid == IID_SomeInterface )
    {
        *ppv = (ISomeInterface *) this ;
        ((ISomeInterface *)(*ppv))->AddRef() ;
    }
    else
    {
        *ppv = NULL;
        return E_NOINTERFACE ;
    }
    return S_OK;
}

那么这究竟是怎么做到的呢?!毕竟m_pUnknownInner是一个IUnknow*指针,而且在CB中,我们是这样调用的m_pUnknownInner->QueryInterface,用得是QueryInterface!而不是NondelegationQueryInterface!怎么会调用到NondelegationQueryInterface呢?
在讲出为什么之前,请大家试用改一下例子程序,把NondelegationQueryInterface的次序小小地调整一下。如下:

class INondelegatingUnknown
{
public:
  virtual HRESULT  __stdcall  NondelegationQueryInterface(const IID& iid, void **ppv) = 0 ;
    virtual ULONG     __stdcall  NondelegatingAddRef() = 0;
    virtual ULONG     __stdcall  NondelegationRelease() = 0;
};

变成:
class INondelegatingUnknown
{
public:
    virtual ULONG     __stdcall  NondelegatingAddRef() = 0;
  virtual HRESULT  __stdcall  NondelegationQueryInterface(const IID& iid, void **ppv) = 0 ;
    virtual ULONG     __stdcall  NondelegationRelease() = 0;
};

然后再运行代码,相信你一定会运行时出错的。这是因为我们在CB中调用m_pUnknownInner->QueryInterface这一句时,并不仅仅是根据函数名QueryInterface来调用函数的,因为CA是一个有虚函数的对象,所以在CA对象中存在一个虚表,当调用函数时,首先是根据函数名来计算函数在虚表中的索引值,然后再用这个索引到虚表中去调用实现的函数。因为QueryInterface在IUnknown中是第一个被定义的,所以它在虚表中的索引是0,当调用m_pUnknownInner->QueryInterface时,会去调用虚表中的第一个函数,由于我们改变了INondelegatingUnknown定义的顺序,INondelegatingUnknown的虚表中的第一个函数是NondelegatingAddRef,它是没有参数的。所以当发生带着两个参数的调用时,产生了运行时的错误!

讲到这里,问题好像清楚了,又好像有哪里没说明白。到底是哪个虚表?哪个对象的虚表?

其实,在我们的讨论中只有两个对象,一个CB,一个CA其他的什么IUnknown,INondelegatingUnknown,ISomeInterface只不过是接口而已。很显然CB我们不用关心,主要是CA。

COM接口聚合实现解惑(C++虚表)_第1张图片

基本上,CA的对象应该是这副德性:

COM接口聚合实现解惑(C++虚表)_第2张图片

我们注意CA::NondelegationQueryInterface的实现中
if ( iid == IID_IUnknown )
    {
       *ppv = (INondelegatingUnknown *) this ;
         ((IUnknown *)(*ppv))->AddRef() ;
    }
这里对this做了一次强制转换,(INondelegatingUnknown *) this 表达式的结果就仅仅是INondelegatingUnknown虚表的指针。而*ppv需要的正好仅仅是这个虚表的指针。所以在在CB中调用m_pUnknownInner->QueryInterface,程序去找虚表中的第一项。所以实际被调用的就是CA::NondelegationQueryInterface。

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