C++类库开发之导出类设计原则

导出类设计

上一篇博客详细陈述了类库开发的各个知识点(http://blog.csdn.net/z702143700/article/details/45989993),本文将进一步陈述，对于类库开发过程中导出类的开发规范问题。

C/C++开发的DLL当初是作为函数级共享库设计的，并不能真正提供一个类所必需的信息。类层上的程序复用只有Java和C#生成的类文件才能做到。所以，当我们在用C++开发类库时经常会遇到类的设计问题，设计不好，就会出现DLL地狱。

DLL地狱

导出类的DLL在维护和修改时如果增加成员变量、修改导出类的基类等操作都可能导致意想不到的后果，也许用户更新了最新版本的DLL库后，应用程序就再也不能工作了。即著名的DLL Hell（DLL地狱）问题。

DLL地狱问题的产生

• 应用程序直接访问类的公有变量，而该公有变量在新DLL中定义的位置发生了变化；
• 应用程序调用类的一个虚函数，而新的类中，该虚函数的前面又增加了一个虚函数；
• 修改了新类的基类，基类的大小发生了变化；
• 新类的后面增加了成员变量，并且新类的成员函数将访问、修改这些变量；

举个例子：

假设DLL有一个导出类ClassTool：

class ClassTool 
{  
public:  
    int GetVar();  
private:  
    int m_var1;  
};  
int ClassTool::GetVar()  
{  
    return m_var1;
}

应用程序使用该类：

ClassTool ct;
printf(“%d”, ct.GetVar());

由于需求改变需要给类加一个变量：

class ClassTool //修改后的类
{  
public:  
    int GetVar();  
private:  
    int m_var2;
    int m_var1;  
};  

把更新后的DLL编译连接完成后，复制到应用程序目录，这个倒霉的应用程序调用GetVar方法后，恐怕再也无法得正确的值了。这样的事情，称它是个地狱（Hell）。

分析：
首先，程序语句“ClassTool ct；”为这个类申请一块内存。这块内存保存该类的所有成员变量，以及虚函数表。内存的大小由类的声明决定，在应用程序编译时就已经确定。

然后，当调用“d.GetVar()”时，把申请的这一块内存做为this指针传给GetVar函数，GetVar函数从this指向的位置开始， 加上m_var1应有的偏移量，计算m_var1所在的内存位置，并从该位置取数据返回。m_var1相对this的偏移量是由m_var1在类中定义的位置决定的，定义在前的成员变量在内存中也更靠前。这个偏移量在DLL编译时确定。

当ClassTool 的定义改为修改后的状态时，有些东西变了。

第一个变的是内存的大小。因为修改后的ClassTool 多了一个成员变量，所以内存也变大了。然而这一点应用程序并不知道。

第二个变的是m_var1的偏移地址。因为在m_var1之前定义了一个m_var2，m_var1的实现偏移地址实际已经靠后了。所以d.GetVar()访问的将是原来m_var1后面的那个位置，而这个位置已经超出原来那块内存的后部范围了。

很显然，在更换了DLL后，应用程序还按原来的大小申请了一块内存，而它调用的方法却访问了比这块内存更大的区域，出错再在所难免。

总言而之，一不小心，你的程序就会掉进地狱。通过对这些引起出错的情况进行分析，会发现其实只有三点变化会引起出错，因为这三点是使用这个DLL的应用程序在编译时就需要确定的内容，它们分别是：
1） 类的大小；
2） 类成员的偏移地址；
3） 虚函数的顺序。

导出类设计规范

在进行导出类设计时就应该遵循以下默认的规范：
1.不直接生成类的实例。对于类的大小，当我们定义一个类的实例，或使用new语句生成一个实例时，内存的大小是在编译时决定的。要使应用程序不依赖于类的大小，只有一个办法：应用程序不生成类的实例，使用DLL中的函数来生成。把导出类的构造函数定义为私有的(privated)，在导出类中提供 静态(static)成员函数(如NewInstance())用来生成类的实例。因为NewInstance()函数在新的DLL中会被重新编译，所以,总能返回大小正确的实例内存。也可以使用全局函数的方式返回类的一个实例（就像我上一篇博客中的示例中那样）。

2.不直接访问成员变量。应用程序直接访问类的成员变量时会用到该变量的偏移地址。所以避免偏移地址依赖的办法就是不要直接访问成员变量。把所有的成员变量的访问控制都定义为保护型(protected)以上的级别，并为需要访问的成员变量定义Get或Set方法。Get或Set方法在编译新DLL时会被重新编译，所以总能访问到正确的变量位置。

3.尽量不使用虚函数。就算有也不要让应用程序直接访问它。因为类的构造函数已经是私有(privated)的了，所以应用程序也不会去继承这个类，也不会实现自己的多态。如果导出类的父类中有虚函数，或设计需要（如类工厂模式之类的框架），一定要把这些函数声明为保护的(protected)以上的级别， 并为应用程序重新设计调用该虑函数的成员函数。这一点也类似于对成员变量的处理。
如果导出的类能遵循以上三点，那么以后对DLL的升级将可以认为是安全的。
另外，如果对一个已经存在的导出类的DLL进行维护，同样也要注意：不要改动所有的成员变量，包括导出类的父类，无论定义的顺序还是数量；不要动所有的虚函数，无论顺序还是数量。
导出类设计时，记住不要导出除了函数以外的任何内容。

建议，你在发布导出类的DLL的时候，重新定义一个类的声明，这个声明可以不管原来的类里的成员变量之类的，只把接口函数列在类的声明里，如下面的例子：

    class ClassInterface  
    {  
    privated:  
        ClassInterface();  
    public:  
        static ClassInterface * NewInstance();  
        int GetVar();  
        void SetVar();  
        void Function();  
    };

在应用程序中，使用ClassInterface作为类的头文件，这样可以避免任何可能导致的安全问题。