Текст книги "Сущность технологии СОМ. Библиотека программиста"

Автор книги: Дональд Бокс

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 33 страниц) [доступный отрывок для чтения: 12 страниц]

Где мы находимся?

Мы начали эту главу с простого класса C++ и рассмотрели проблемы, связанные с объявлением этого класса как двоичного компонента повторного использования. Первым шагом было употребление этого класса в качестве библиотеки Dynamic Link Library (DLL) для отделения физической упаковки этого класса от упаковок его клиентов. Затем мы использовали понятие интерфейсов и реализации для инкапсуляции элементов реализации типов данных за двоичной защитой, что позволило изменять двоичные представления объектов без необходимости перетрансляции клиентами. Затем, используя для определения интерфейсов подход абстрактного базового класса, эта защита приобрела форму указателя vptr и таблицы vtbl. Далее мы исследовали приемы для динамического выбора различных полиморфных реализаций данного интерфейса на этапе выполнения с использованием LoadLibrary и GetProcAddress. Наконец, мы использовали RTTI-подобную структуру для динамического опроса объекта с целью определить, действительно ли он использует нужный интерфейс. Эта структура предоставила нам методику расширения существующих версий интерфейса, а также возможность выставления нескольких несвязанных интерфейсов из одного объекта.

Короче, мы только что создали модель компонентных объектов (Component Object Model – СОМ).

Глава 2. Интерфейсы

void *pv = malloc(sizeof(int));

int *pi = (int*)pv;

(*pi)++;

free(pv);

Аноним,1982

В предыдущей главе было показано несколько приемов программирования на C++, позволяющих разрабатывать двоичные компоненты повторного использования, которые со временем могут быть модернизированы. По своему смыслу эти приемы идентичны тем, которые используются моделью СОМ. Незначительные различия между методиками предыдущей главы и теми, которые используются СОМ, в большинстве случаев заключаются в деталях и почти всегда достаточно обоснованы. Вообще-то предыдущая глава прослеживала историю модели СОМ, которая прежде всего и в основном есть отделение интерфейса от реализации.

Снова об интерфейсах и реализациях

Снова об интерфейсах и реализациях

Цель отделения интерфейса от реализации заключалась в сокрытии от клиента всех деталей внутренней работы объекта. Этот фундаментальный принцип предусматривал уровень косвенности, или изоляции (level of indirection), который позволял изменяться количеству или порядку элементов данных в реализации класса без перекомпиляции клиента. Кроме того, этот принцип позволял клиентам обнаруживать расширенную функциональность путем опроса объекта на этапе выполнения. И, наконец, этот принцип позволяет сделать библиотеку DLL независимой от транслятора C++, который используется клиентом.

Хотя этот последний аспект и полезен, он далеко не достаточен для обеспечения универсальной основы для двоичных компонентов. Важно отметить, что хотя клиенты могут использовать любой выбранный ими транслятор C++, в конечном счете это будет всего лишь транслятор C++. Приемы, описанные в предыдущей главе, обеспечивают независимость от транслятора. В конце концов, главное, что необходимо для создания действительно универсальной основы для двоичных компонентов, – это независимость от языка. А чтобы достичь независимости от языка, принцип отделения интерфейса от реализации должен быть применен еще раз.

Рассмотрим определения интерфейса, использованные в предыдущей главе. Каждое определение интерфейса принимало форму определения абстрактного базового класса C++ в заголовочном файле C++. Тот факт, что определение интерфейса постоянно находится в файле, читаемом только на одном языке, вскрывает один остаточный признак реализации этого объекта – язык, на котором он был написан. Но, в конечном счете, объект должен быть доступен для любого языка, а не только для того, который выбрал разработчик объекта. Предусматривая только совместимое с C++ определение интерфейса, разработчик объекта тем самым вынуждает всех использующих этот объект также работать на C++.

Хотя C++ – чрезвычайно полезный язык программирования, существует множество областей программирования, где больше подходят другие языки. Но точно так же, как проблемы совместимости при компоновке можно решить путем обеспечения всех существующих компиляторов файлами определения модуля, возможно и перевести определение интерфейса с C++ на любые другие языки программирования. А так как двоичная сигнатура интерфейса есть просто сочетание vptr/vtbl, этот перевод может быть сделан для большой группы языков.

Проделывание этих языковых преобразований данных для всех известных интерфейсов потребовало бы огромного количества работы, а главное – невозможно успевать делать это для бурного потока языков программирования, которые индустрия программного обеспечения не устает изобретать чуть ли не каждую декаду. Идеально было бы написать сервисную программу, которая переводила бы определения класса C++ в некую абстрактную промежуточную форму. Из этой промежуточной формы такая программа могла бы преобразовывать данные для любого языка программирования, имеющего соответствующий выходной генератор (back-end generator). По мере того как новые языки приобретают значимость, могли бы добавляться новые выходные генераторы, и все ранее определенные интерфейсы смогли бы тотчас использоваться в совершенно новом контексте.

К сожалению, язык программирования C++ полон неоднозначностей, что делает его малопригодным для преобразования данных на все мыслимые языки. Многие из этих неоднозначностей приводят к неопределенным соотношениям между указателями, памятью и массивами. Это не является проблемой, когда оба объекта: вызывающий (caller) и вызываемый (callee) – скомпилированы на С или на C++, но они не могут быть точно переведены на другие языки без дополнительной квалификации. Поэтому, чтобы устранить зависимость определения интерфейса от языка, используемого в какой-либо конкретной реализации, необходимо для определений интерфейсов использовать один язык, а для определений реализации – другой. Если все участники договорятся о едином языке для определений интерфейсов, то станет возможным определить интерфейс однажды и получать по мере необходимости новые представления реализации на специфических языках. СОМ предусматривает язык, который основан на хорошо известном синтаксисе С, но добавляет возможность при переводе на другие языки корректно устранить неоднозначность любых особенностей языка С. Этот язык называется языком описаний интерфейса (Interface Definition Language – IDL).

IDL

СОМ IDL базируется на языке определения интерфейсов основного открытого математического обеспечения удаленного вызова процедур в распределенной вычислительной среде – Open Software Foundation Distributed Computing Environment Remote Procedure Call (OSF DCE RPC). DCE IDL позволяет описывать удаленные вызовы процедур не зависящим от языка способом. Это дает возможность компилятору IDL генерировать код для работы в сети, который прозрачным образом (transparently), то есть незаметно для пользователя, переносит описанные операции на всевозможные сетевые средства сообщения. СОМ IDL просто добавляет некоторые расширения, специфические для СОМ, в DCE IDL для поддержки объектно-ориентированных понятий СОМ (например, наследование, полиморфизм). Не случайно, что когда обращение к объектам СОМ осуществляется через границу контекста выполнения[1]  1 Термин контекст выполнения (execution context) используется в определении СОМ, чтобы описать все, что было впоследствии переименовано в апартамент (apartment). Апартамент – не поток и не процесс; однако он имеет общие для этих обоих понятии признаки. Подробно понятие апартамента описано в главе 5.


[Закрыть] или через границы между машинами, все связи клиент-объект используют MS-RPC (реализация DCE RPC, являющаяся частью Windows NT и Windows 95) как основное средство сообщения.

Win32 SDK включает в себя компилятор МIDL.ЕХЕ , который анализирует файлы СОМ IDL и генерирует несколько искусственных объектов – артефактов (artifacts). Как показано на рис. 2.1, MIDL генерирует совместимые с C/C++ заголовочные файлы, которые содержат определения абстрактного базового класса, соответствующие интерфейсам, описанным в исходном IDL-файле.

Эти заголовочные файлы также содержат совместимые с С, основанные на структурах определения (structure-based definitions), которые позволяют С-программам обращаться к интерфейсам, описанным на IDL, или обеспечивать их выполнение. То, что MIDL автоматически генерирует С/С++-заголовочный файл, означает, что ни один из СОМ-интерфейсов не нужно определять на C++ вручную. Исход определений из одной точки исключает возникновение множества несовместимых версий определений интерфейсов, которые со временем могут вызвать асинхронность. MIDL также генерирует исходный код, который позволяет использовать интерфейсы в различных потоках, процессах и машинах. Этот код будет обсуждаться в главе 5. И наконец, MIDL может генерировать двоичный файл, который позволяет другим средам, принимающим СОМ, отображать интерфейсы, определенные в исходном IDL-файле, на другие языки. Этот двоичный файл называется библиотекой типа (type library) и содержит разобранный файл IDL в наиболее эффективной для анализа форме. Библиотеки типа обычно распространяются как часть исполняемого файла реализации и позволяют таким языкам, как Visual Basic, Java, Object Pascal использовать интерфейсы, которые выставляются этой реализацией.

Чтобы понять IDL, необходимо рассмотреть логический и физический аспекты интерфейса. Обсуждение методов интерфейса и выполняемых ими операций относятся к логическому аспекту интерфейса. Обсуждение памяти, стекового фрейма, сетевых пакетов и других динамических явлений обычно относятся к физическому аспекту интерфейса. Некоторые физические аспекты интерфейса могут непосредственно наследовать логическому описанию (например, расположение таблицы vtbl , порядок параметров в стеке). Другие физические аспекты (например, границы массивов, сетевые представления сложных типов данных) требуют дополнительной квалификации.

IDL позволяет разработчикам интерфейса работать непосредственно в сфере логики, используя синтаксис С. Но в то же время IDL требует от разработчиков точно определять все те аспекты интерфейса, которые не могут быть воспроизведены непосредственно по их логическому описанию на С, с помощью использования аннотаций, формально называемых атрибутами. Атрибуты IDL легко распознать в основном тексте IDL: разделенные запятыми, они заключены в скобки. Атрибуты всегда предшествуют описанию объекта, к которому они относятся. Например, в следующем IDL– фрагменте

[

v1enum, helpstring(«This is a color!»)

]

enum COLOR { RED, GREEN, BLUE };

атрибут v1_enum относится к описанию перечисления (enumeration) COLOR. Этот атрибут информирует компилятор IDL о том, что представление COLOR при передаче значения через сеть должно иметь 32 бита, а не 16, как принято по умолчанию. Атрибут helpstring также относится к СОLОR и добавляет строку «This is a color!» («Это – цвет!») в создаваемую библиотеку типа как описание этого перечисления. Если игнорировать атрибуты в IDL-файле, то его синтаксис такой же, как в С. IDL поддерживает структуры, объединения, массивы, перечисления, а также определения типа (typedef) – с синтаксисом, идентичным их аналогам в С.

Определяя методы СОМ в IDL, необходимо четко указать, кто – вызывающий или вызываемый объект – будет записывать или читать каждый параметр метода. Это выполняется с помощью атрибутов параметра [in] и [out]:

void Method1([in] long arg1, [out] long *parg2, [in, out] long *parg3);

Для этого фрагмента IDL предполагается, что вызывающий объект передаст значение в объект arg1 и по адресу, содержащемуся в указателе parg3. По завершении возвращаемые значения будут получены вызывающим объектом по адресам, указанным в parg2 и parg3. Это означает, что для последовательности вызовов:

long arg2 = 20, arg3 = 30;

p->Method1(10, &arg2, &arg3);

объект не может полагаться на получение передаваемого значения 20 через parg2. Если объект запускается в том же контексте выполнения, что и вызывающий объект, и оба участника вызова реализованы на C++, то *parg2 действительно будет иметь на входе метода значение 20. Однако если объект вызывается из другого контекста выполнения или один из участников вызова реализован на языке, который сводит на нет оптимизацию начальных значений чисто выходных (out-only) параметров, то инициализация параметра вызывающим объектом будет утеряна.

Методы и их результаты

Результаты методов – это одна из сторон СОМ, где логический и физический миры расходятся. В сущности, все методы СОМ физически возвращают номер ошибки с типом НRESULT. Использование одного типа возвращаемого результата позволяет удаленной COM-архитектуре перегружать результат выполнения метода, а также сообщать об ошибках соединения, просто зарезервировав ряд величин для RPC-ошибок. Величины НRESULT представляют собой 32-битные целые числа, которые передают в вызывающий контекст выполнения информацию о типе ошибок, которые могут произойти (например, ошибки сети, сбои сервера). Во многих языках, поддерживающих СОМ (например, Visual Basic, Java), HRESULT–значения перехватываются контекстом выполнения или виртуальной машиной и преобразуются в программные исключения (programmatic exceptions).

Как показано на рис. 2.2, HRESULT-значения состоят из трех битовых полей: бита серьезности ошибки (severity bit), кода устройства и информационного кода. Бит серьезности ошибки показывает, успешно выполнена операция или нет, код устройства индицирует, к какой технологии относится HRESULT , а информационный код представляет собой точный результат в рамках заданной технологии и серьезности. Заголовки SDK (software development kit – набор инструментальных средств разработки программного обеспечения) определяют два макроса, облегчающие работу с HRESULT:

#define SUCCEEDED(hr) (long(hr) >= 0) #def1ne FAILED(hr) (long(hr) < 0)

Эти два макроса используют тот факт, что при трактовке НRESULT как целого числа со знаком бит серьезности ошибки он является также знаковым битом.

Заголовки SDK содержат определения всех стандартных HRESULT. Эти HRESULT имеют символические имена, соответствующие трем компонентам HRESULT, и используются в следующем формате:

__

Например, HRESULT с именем STG_S_CONVERTED показывает, что кодом устройства является FACILITY_STORAGE. Это означает, что результат относится к структурированному хранилищу (Structured Storage) или к персистентности (Persistence). Код серьезности ошибки – SEVERITY_SUCCESS. Это означает, что вызов смог успешно выполнить операцию. Третья составляющая – CONVERTED – означает, что в данном случае было произведено преобразование базового файла для поддержки структурированного хранилища. HRESULT-значения, являющиеся универсальными и не привязанными к определенной технологии, используют FACILITY_NULL, и их символическое имя не содержит префикса кода устройства. Вот некоторые стандартные имена HRESULT-значений с кодом FACILITY_NULL:

S_OK – успешная нормальная операция

S_FALSE – используется для возвращения логического false в случае успеха

E_FAIL – общий сбой E_NOTIMPL – метод не реализован

E_UNEXPECTED – метод вызван в неподходящее время

FACILITY_ITF используется в специфически интерфейсных HRESULT-значениях и является в то же время единственным допустимым кодом устройства для HRESULT, определяемых пользователем. При этом значения FACILITY_ITF должны быть уникальными в контексте каждого отдельного интерфейса. Стандартные заголовки определяют макрос MAKE_HRESULT для определения пользовательского HRESULT из трех необходимых полей:

const HRESULT CALC_E_IAMHOSED = MAKE_HRESULT(SEVERITY_ERROR, FACILITY_ITF, 0х200 + 15);

Для пользовательских HRESULT принято соглашение, что значения информационного кода должны превышать 0х200 , чтобы избежать повторного использования значений, уже задействованных в системных HRESULT -значениях. Хотя это не опасно, таким образом предотвращается повторное использование значений, уже имеющих смысл для стандартных интерфейсов. Например, большинство HRESULT имеют текстовые описания для пользователя, которые можно получить на этапе выполнения с помощью функции API FormatMessage. Выбор HRESULT, не пересекающихся со значениями, определенными в системе, служит гарантией того, что неверные сообщения об ошибках не будут получены.

Чтобы позволить методам возвращать логический результат, не имеющий отношения к их физическому HRESULT -значению, язык СОМ IDL поддерживает атрибут параметров retval . Атрибут retval показывает, что соответствующий параметр физического метода в действительности является логическим результатом операции и, если контекст это позволяет, должен быть представлен как результат операции. Рассмотрим IDL-описание следующего метода:

HRESULT Method2([in] short arg1, [out, retval] short *parg2);

на языке Java это соответствует:

public short Method2(short arg1);

в то время как Visual Basic дает такое описание метода:

Function Method2(arg1 as Integer) As Integer

Поскольку C++ не использует поддержку контекста выполнения для обращения к СОМ-интерфейсам, представление этого метода в Microsoft C++ имеет вид:

virtual HRESULT stdcall Method2(short arg1, short *parg2) = 0;

Это значит, что следующий клиентский код на языке C++:

short sum = 10;

short s;

HRESULT hr = pItf->Method2(20, &s);

if (FAILED(hr)) throw hr;

sum += s;

примерно эквивалентен такому Java-коду:

short sum == 10; short s = Itf.Method2(20); sum += s;

Если HRESULT, возвращенный методом, сообщает об аварийном результате, то Java Virtual Machine преобразует HRESULT в исключение Java. Во фрагменте кода на языке C++ необходимо проверить вручную HRESULT, возвращенный этим методом, и соответствующим образом обработать этот аварийный результат.

Интерфейсы и IDL

Определения методов в IDL являются просто аннотированными аналогами С-функций. Определения интерфейсов в IDL требуют расширения по сравнению с С, так как С не имеет встроенной поддержки этого понятия. Определение интерфейса в IDL начинается с ключевого слова interface. Это определение состоит их четырех частей: имя интерфейса, базовое имя интерфейса, тело интерфейса и атрибуты интерфейса. Тело интерфейса представляет собой просто набор определений методов и операторов определения типов:

[ attribute1, attribute2, …]

interface IThisInterface : IBaseInterface

{

typedef1;

typedef2;

:

:

method1;

method2;

}

Каждый интерфейс СОМ должен иметь как минимум два атрибута IDL. Атрибут [object] служит признаком того, что данный интерфейс является СОМ-, а не DCE-интерфейсом. Второй обязательный атрибут указывает на физическое имя интерфейса (в предшествующем IDL-фрагменте IThisInterface является логическим именем интерфейса).

Чтобы понять, почему СОМ-интерфейсы требуют физическое имя, отличное от логического имени интерфейса, рассмотрим следующую ситуацию. Два разработчика независимо друг от друга решили создать интерфейс, моделирующий ручной калькулятор. Два их определения интерфейса будут, вероятно, похожими, будучи заданными в общей проблемной области, но скорее всего фактический порядок определений методов и, возможно, сигнатур методов могут в чем-то различаться. Несмотря на это, оба разработчика, вероятно, выберут одно и то же логическое имя: ICalculator.

Клиентская программа на машине какого-нибудь конечного пользователя может реализовать определение интерфейса от первого разработчика, а запустить объект, созданный вторым. Поскольку оба интерфейса имеют одно и то же логическое имя, то если клиент запросит объект для поддержки ICalculator, просто использовав строку «ICalculator», объект ответит на запрос возвратом ненулевого указателя интерфейса. Однако представление клиента о том, на что похож ICalculator, вступит в конфликт с тем, какое представление о нем имеет этот объект, и результирующий указатель будет не тем, которого ожидает клиент. Ведь эти два интерфейса могут быть совершенно разными, несмотря на то, что оба используют одно и то же логическое имя.

Чтобы исключить коллизию имен, всем СОМ-интерфейсам на этапе проектирования назначается уникальное двоичное имя, которое является физическим именем интерфейса. Эти физические имена называются глобально уникальными идентификаторами (Globally Unique Identifiers – GUIDs), что рифмуется со словом squids [1]  1 Точное произношение слова GUID является предметом горячих споров между разработчиками СОМ. Хотя спецификация СОМ формулирует, что GUID рифмуется с fluid (подвижный), а не squid (кальмар), автор уверен, что она ошибается, ссылаясь как на прецедент на слово languid (медлительный)


[Закрыть]. GUID используются в СОМ повсюду для именования статических сущностей, таких как интерфейсы или реализации. GUID являются чрезвычайно большими 128-битными числами, что гарантирует их уникальность как во времени, так и в пространстве. GUID в СОМ основаны на универсальных уникальных идентификаторах (Universally Unique Identifiers – UUIDs), используемых в DCE RPC. При использовании GUID для именования СОМ-интерфейсов их часто называют идентификаторами интерфейса (Interface IDs – IIDs). Реализации в СОМ также именуются с помощью GUID, и в этом случае GUID называются идентификаторами класса (Class IDs – CLSIDs ). Будучи представленными в текстовой форме, GUID всегда имеют следующий канонический вид: BDA4A270-A1BA-11d0-8C2C-0080C73925BA

Эти 32 шестнадцатеричные цифры представляют 128-битное значение GUID. Именование интерфейсов и реализации с помощью GUID важно для предотвращения коллизий между разными компонентами.

Для создания нового GUID в СОМ имеется API-функция, которая использует децентрализованный алгоритм уникальности для генерирования нового 128-битного числа, которое никогда больше не встретится в природе:

HRESULT CoCreateGuid(GUID *pguid);

Алгоритм, задействованный в функции CoCreateGuid, использует локальный сетевой интерфейсный адрес машины, текущее машинное время и два постоянных счетчика для компенсации точности часов и нестандартных изменении в них (таких, как переход на летнее время или ручная коррекция системных часов). Если данная машина не имеет сетевого интерфейса, то синтезируется статистически уникальная величина и CoCreateGuid возвращает особого вида HRESULT, показывающий, что данная величина является глобально уникальной только статистически и может считаться таковой только при использовании на локальной машине. Хотя прямой вызов функции CoCreateGuid иногда полезен, большинство разработчиков вызывают ее в неявной форме, применяя из SDK программу GUIDGEN.EXE. На рис. 2.3 показана работа GUIDGEN. GUIDGEN вызывает CoCreateGuid и преобразует полученный GUID в один из четырех форматов, удобных для включения в исходный код на C++ или IDL. При работе в IDL используется четвертый формат (каноническая текстовая форма).

Чтобы связать физическое имя интерфейса с его определением на IDL, используется второй обязательный атрибут интерфейса – [uuid] . Атрибут [uuid] содержит один параметр – каноническую текстовую форму

GUID: [object, uuid(BDA4A270-A1BA-11dO-8C2C-0080C73925BA)]

interface ICalculator : IBaseInterface

{

HRESULT Clear(void);

HRESULT Add([in] long n);

HRESULT Sum([out, retval] long *pn);

}

При использовании при программировании на С или C++ физического имени интерфейса IID данного интерфейса представляет собой просто логическое имя интерфейса, предшествуемое префиксом IID_. Например, интерфейс ICalculator будет иметь IID, которым можно программно манипулировать, используя сгенерированную IDL константу IID_ICalculator. Для предотвращения коллизий между символическими именами интерфейсов можно использовать пространство имен C++.

Поскольку лишь немногие из компиляторов C++ могут поддерживать 128-битные числа, СОМ определяет С-структуру для представления 128-битовой величины GUID и предлагает псевдонимы для типов IID и CLSID с использованием следующего определения типов:

typedef struct GUID

{

DWORD Data1;

WORD Data2;

WORD Data3;

BYTE Data4[8];

} GUID;

typedef GUID IID;

typedef GUID CLSID;

Внутренняя структура GUID для большинства программистов несущественна, так как единственная значимая операция, которую можно выполнить с GUID, – это проверка их эквивалентности. Для обеспечения эффективной передачи величин GUID как аргументов функций СОМ предусматривает также постоянные псевдонимы для ссылок (constant reference aliases) для каждого типа GUID:

#define REFGUID const GUID&

#define REFIID const IID&

#define REFCLSID const CLSID&

Чтобы иметь возможность сравнивать величины GUID, СОМ обеспечивает функции эквивалентности и перегружает операторы == и != для постоянных ссылок GUID:

inline BOOL IsEqualGUID(REFGUID r1, REFGUID r2)

{

return !memcmp(&r1, &r2, sizeof(GUID));

}

#def1ne IsEqualIID(r1, r2) IsEqualGUID((r1) , (r2))

#define IsEqualCLSID(r1, r2) IsEqualGUID((r1), (r2))

inline BOOL operator == (REFGUID r1, REFGUID r2)

{

return !memcmp(&r1, &r2, sizeof(GUID));

}

inline BOOL operator != (REFGUID r1, REFGUID r2)

{

return !(r1 == r2);

}

Фактические заголовки SDK содержат условно компилируемые совместимые с С версии определений типа, макросов и встраиваемых функций, как показано выше.

Поскольку показано, что представления имен интерфейсов на этапе выполнения являются GUID, а не строками; это означает, что метод Dynamic_Cast, описанный в предыдущей главе, следует пересмотреть. Действительно, весь интерфейс IЕхtensibleObject должен быть изменен и преобразован в свой аналог IUnknown, совместимый с СОМ.