使用C++实现插件模式时的避坑要点(推荐)

本文不打算严格地、用标准术语来讲前因后果。本文主要分析实践中常见的、因为对原理不清楚而搞出来的产品里的坑。

什么是插件模式和为什么要用插件模式

插件，Plug-In，或者（IE/Edge称之为）加载项/Add-On，（Office称之为）外接程序/Add-In，（GIMP称之为）扩展/Extension，等等，总之看字面意思都是“额外增加功能”的这种东西，是一类开发模式。基本思路就是，研发软件本体的时候，外部需求不明确、直到使用期仍然经常会增加功能细节。为了把变动部分切割开，在设计的时候，通过对可变部分的归纳分析，对可变部分抽象出一套接口；每套外部需求用动态库之类的形式实现接口；软件本体按某种约定，加载动态库，并从中获取插件实例，通过接口来调用满足当时需求的功能实现。

可以看到，插件的思想，其实就是灵活运用“动态库”的动态加载能力，把对“接口”的实现移到软件本体之外，并用工厂模式来约束动态库的实现方式。

只要是具有动态加载能力的运行环境上，都可以使用插件模式来设计软件系统。极端一些的软件系统，甚至只提供基础平台，所有功能都由插件的方式提供，例如 Visual Studio Code 、 Eclipse 等。

C++实现插件模式

用C++实现插件模式，一般是把下面这些功能组合起来：

• 用一个C++的带虚函数的基类来表示功能
• 约定动态库里的工厂模式接口
• 在一些动态库里提供实现虚函数的派生类
• 在动态库里实现工厂模式

不幸的是，由于各操作系统的动态库机制普遍是C风格的，用C++做动态库时候的坑，在用C++实现插件模式时，全都会遇到。比如：

• C++的编译器差异导致的不互通
  会导致必须用同一种（或兼容的）编译器来生成插件和软件本体。
  • 名字改写（Name Mangling）：参考：Wikipedia、C/C++中的名字空间与作用域示例详解 会导致加载插件时“找不到符号”
  • 虚函数（表）实现：
    会导致加载插件时可能不报错，但运行时候找不到正确的虚函数入口
• 操作系统机制导致的不互通
  • Windows上使用MSVCRT时的内存分配和回收
    Windows每个模块的内存分配默认是在模块自己的堆里的，而Windows上的C运行时库（各种MSVCRT）为了封装出 malloc 、 free 等C函数的效果，建立了__crtheap（2010及之前版本行为）或直接使用进程默认堆（2015及之后版本行为）[1]。这导致，即使是同一个编译器，静态链接VC运行时会采用本模块内部的堆来实现 malloc 等，而动态链接VC运行时则会采用MSVCRT动态库DLL的模块堆。需要解决好“谁申请谁释放”的问题，否则内存管理的地方容易出异常。
  • 全局变量在模块间的共享问题

一些典型的不良实现

这里说的不良实现，使用时候未必会错或崩，但早晚要崩，或者会限制住插件的开发。以下用如下插件接口作为例子。

// IFilter.h
 
/// 滤波器接口.
class IFilter {
protected:
    IFilter();
public:
    virtual ~IFilter();
public:
    /// 一个将输入复数数组处理为输出复数数组的函数.
    virtual void Filter(const std::complex<double>* acdIn, std::complex<double>* acdOut, size_t uLen) = 0;
    /// 获取当前实现的一些描述字符串.
    virtual std::string GetDescription() const = 0;
};
// IFilter.cpp
IFilter::IFilter() { }
IFilter::~IFilter() { }

并约定插件实现中以如下形式提供工厂函数。

// FilterPluginDll.h
#include "IFilter.h"
/* 插件DLL应该提供如下函数 
extern "C" int GetFilterPluginInDll(char* szFilterNamesBuf, size_t uBufLen);
extern "C" IFilter* BuildFilterPlugin(const char* szFilterName);
extern "C" void FreeFilterPlugin(IFilter* pFilter);
*/
typedef int (*PFNGetFilterPluginInDll)(char* szFilterNamesBuf, size_t uBufLen);
typedef IFilter* (*PFNBuildFilterPlugin)(const char* szFilterName);
typedef void (*PFNFreeFilterPlugin)(IFilter* pFilter);

接口类没有提供二进制实现

比如，对插件只发布两个头文件；认为 IFilter 的构造和析构反正是空函数无所谓，直接写在类定义里。

这样，插件开发者自己生成插件DLL时，会在自己的DLL里链接进一份 IFilter::IFilter() 和 IFilter::~IFilter() 的实现，而软件本体里也有一份自己的实现。虽然看上去，如果编译器一样，两份实现是等同的，但考虑到它们使用了不同的模块堆，以及其它各种原因，插件DLL中的 IFilter 和软件本体里的 IFilter 并不是完全等同的。

这里应该由软件本体导出 IFilter::IFitler() 和 IFilter::~IFilter() 等接口类的共性成分的实现给插件，以免出现一些奇怪的问题。

工厂函数里没有正确设计“谁分配谁释放”

比如，为了“简单”，只要求了 BuildFilterPlugin 工厂函数，认为可以由软件本体用 delete pFilter; 来释放插件实例。

一种建议的实现方法

用类似于Windows的COM风格的“放了一堆函数指针的结构体”来表示插件的接口定义；软件本体里为了使用方便，再用接口类包装一下。

参考文献

• 一个程序员的修炼之路. 谈一谈Windows中的堆 [EB/OL]. https://blog.csdn.net/CJF_iceKing/article/details/119083770

到此这篇关于使用C++实现插件模式时的避坑要点的文章就介绍到这了,更多相关c++插件模式内容请搜索自由互联以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持自由互联！