Работа с библиотеками динамической компоновки (DLL)

• Библиотеки импортирования
• Согласование интерфейсов
• Загрузка неявно подключаемой DLL
• Динамическая загрузка и выгрузка DLL
• Пример обычной DLL и способов загрузки

• Функция DllMain
• Экспортирование функций из DLL
• Экспортирование классов
• Память DLL
• Полная компиляция DLL

• Обычные MFC DLL
• Динамические расширения MFC
• Загрузка динамических расширений MFC
• Экспортирование функций из динамических расширений

С самого рождения (или чуть позже) операционная система Windows использовала библиотеки динамической компоновки DLL (Dynamic Link Library), в которых содержались реализации наиболее часто применяемых функций. Наследники Windows — NT и Windows 95, а также OS/2 — тоже зависят от библиотек DLL в плане обеспечения значительной части их функциональных возможностей.

Рассмотрим ряд аспектов создания и использования библиотек DLL:

• как статически подключать библиотеки DLL;
• как динамически загружать библиотеки DLL;
• как создавать библиотеки DLL;
• как создавать расширения МFC библиотек DLL.

Использование DLL

Практически невозможно создать приложение Windows, в котором не использовались бы библиотеки DLL. В DLL содержатся все функции Win32 API и несчетное количество других функций операционных систем Win32.

Вообще говоря, DLL — это просто наборы функций, собранные в библиотеки. Однако, в отличие от своих статических родственников (файлов . lib), библиотеки DLL не присоединены непосредственно к выполняемым файлам с помощью редактора связей. В выполняемый файл занесена только информация об их местонахождении. В момент выполнения программы загружается вся библиотека целиком. Благодаря этому разные процессы могут пользоваться совместно одними и теми же библиотеками, находящимися в памяти. Такой подход позволяет сократить объем памяти, необходимый для нескольких приложений, использующих много общих библиотек, а также контролировать размеры ЕХЕ-файлов.

Чаще всего проект подключается к DLL статически, или неявно, на этапе компоновки. Загрузкой DLL при выполнении программы управляет операционная система. Однако, DLL можно загрузить и явно, или динамически, в ходе работы приложения.

При статическом подключении DLL имя .lib-файла определяется среди прочих параметров редактора связей в командной строке или на вкладке “Link” диалогового окна “Project Settings” среды Developer Studio. Однако .lib-файл, используемый при неявном подключении DLL, — это не обычная статическая библиотека. Такие .lib-файлы называются библиотеками импортирования (import libraries). В них содержится не сам код библиотеки, а только ссылки на все функции, экспортируемые из файла DLL, в котором все и хранится. В результате библиотеки импортирования, как правило, имеют меньший размер, чем DLL-файлы. К способам их создания вернемся позднее. А сейчас рассмотрим другие вопросы, касающиеся неявного подключения динамических библиотек.

По умолчанию в Visual C++ интерфейсы функций согласуются по правилам C++. Это значит, что параметры заносятся в стек справа налево, вызывающая программа отвечает за их удаление из стека при выходе из функции и расширении ее имени. Расширение имен (name mangling) позволяет редактору связей различать перегруженные функции, т.е. функции с одинаковыми именами, но разными списками аргументов. Однако в старой библиотеке С функции с расширенными именами отсутствуют.

 	extern "С" int MyOldCFunction(int myParam); 

Объявления функций библиотеки обычно помещаются в файле заголовка этой библиотеки, хотя заголовки большинства библиотек С не рассчитаны на применение в проектах на C++. В этом случае необходимо создать копию файла заголовка и включить в нее модификатор extern "C" к объявлению всех используемых функций библиотеки. Модификатор extern "C" можно применить и к целому блоку, к которому с помощью директивы #tinclude подключен файл старого заголовка С. Таким образом, вместо модификации каждой функции в отдельности можно обойтись всего тремя строками:

 	extern "С"  	{ 		#include "MyCLib.h" 	} 

В программах для старых версий Windows использовались также соглашения о вызове функций языка PASCAL для функций Windows API. В новых программах следует использовать модификатор winapi, преобразуемый в _stdcall. Хотя это и не стандартный интерфейс функций С или C++, но именно он используется для обращений к функциям Windows API. Однако обычно все это уже учтено в стандартных заголовках Windows.

При запуске приложение пытается найти все файлы DLL, неявно подключенные к приложению, и поместить их в область оперативной памяти, занимаемую данным процессом. Поиск файлов DLL операционной системой осуществляется в следующей последовательности.

• Каталог, в котором находится ЕХЕ-файл.
• Текущий каталог процесса.
• Системный каталог Windows.

Если библиотека DLL не обнаружена, приложение выводит диалоговое окно с сообщением о ее отсутствии и путях, по которым осуществлялся поиск. Затем процесс отключается.

Если нужная библиотека найдена, она помещается в оперативную память процесса, где и остается до его окончания. Теперь приложение может обращаться к функциям, содержащимся в DLL.

Динамическая загрузка и выгрузка DLL

Первое, что необходимо сделать при динамической загрузке DLL, - это поместить модуль библиотеки в память процесса. Данная операция выполняется с помощью функции ::LoadLibrary, имеющей единственный аргумент – имя загружаемого модуля. Соответствующий фрагмент программы должен выглядеть так:

 	HINSTANCE hMyDll; 	…… 	if((hMyDll=::LoadLibrary
(“MyDLL”))==NULL) { /* не удалось загрузить DLL */ }
 	else { /* приложение имеет право
  пользоваться функциями DLL через hMyDll */ } 

Если файл обнаружен и библиотека успешно загрузилась, функция ::LoadLibrary возвращает ее дескриптор, который используется для доступа к функциям библиотеки.

Перед тем, как использовать функции библиотеки, необходимо получить их адрес. Для этого сначала следует воспользоваться директивой typedef для определения типа указателя на функцию и определить переменую этого нового типа, например:

 	// тип PFN_MyFunction будет объявлять указатель
             на функцию,  
	// принимающую указатель на символьный буфер
 и выдающую значение типа int 	typedef int 
 (WINAPI *PFN_MyFunction)(char *); 
 	…… 	PFN_MyFunction pfnMyFunction; 

Затем следует получить дескриптор библиотеки, при помощи которого и определить адреса функций, например адрес фунции с именем MyFunction:

 	hMyDll=::LoadLibrary(“MyDLL”);
 	pfnMyFunction=(PFN_MyFunction)::GetProcAddress
                           (hMyDll,”MyFunction”);
 	…… 	int iCode=(*pfnMyFunction)(“Hello”); 

Адрес функции определяется при помощи функции ::GetProcAddress, ей следует передать имя библиотеки и имя функции. Последнее должно передаваться в том виде, в котором эксаортируется из DLL.

 	pfnMyFunction=(PFN_MyFunction)::GetProcAddress
(hMyDll, 				MAKEINTRESOURCE(1)); 

После завершения работы с библиотекой динамической компоновки, ее можно выгрузить из памяти процесса с помощью функции ::FreeLibrary:

 	::FreeLibrary(hMyDll); 

При загрузке MFC-расширений для DLL (подробно о которых рассказывается далее) вместо функций LoadLibraryи FreeLibrary используются функции AfxLoadLibrary и AfxFreeLibrary. Последние почти идентичны функциям Win32 API. Они лишь гарантируют дополнительно, что структуры MFC, инициализированные расширением DLL, не были запорчены другими потоками.

Динамическая загрузка применима и к ресурсам DLL, используемым MFC для загрузки стандартных ресурсов приложения. Для этого сначала необходимо вызвать функцию LoadLibrary и разместить DLL в памяти. Затем с помощью функции AfxSetResourceHandle нужно подготовить окно программы к приему ресурсов из вновь загруженной библиотеки. В противном случае ресурсы будут загружаться из файлов, подключенных к выполняемому файлу процесса. Такой подход удобен, если нужно использовать различные наборы ресурсов, например для разных языков.

Замечание. С помощью функции LoadLibrary можно также загружать в память исполняемые файлы (не запускать их на выполнение!). Дескриптор выполняемого модуля может затем использоваться при обращении к функциям FindResource и LoadResource для поиска и загрузки ресурсов приложения. Выгружают модули из памяти также при помощи функции FreeLibrary.

Пример обычной DLL и способов загрузки

Сначала в заголовочном файле определяется макроконтстанта EXPORT. Использование этого ключевого слова при определении некоторой функции динамически подключаемой билиотеке позволяет сообщить компоновщику, что эта функция доступна для использования другими программами, в результате чего он заносит ее в библилтеку импорта. Кроме этого, такая функция, точно так же, как и оконная процедура, должна определяться с помощью константы CALLBACK:

 MyDLL.h 	#define EXPORT extern “C” __declspec 
(dllexport)
 	EXPORT int CALLBACK MyFunction(char *str); 

Файл библиотеки также несколько отличается от обычных файлов на языке C для Windows. В нем вместо функции WinMain имеется функция DllMain. Эта функция используется для выполнения инициализации, о чем будет рассказано позже. Для того, чтобы библиотека осталась после ее загрузки в памяти, и можно было вызывать ее функции, необходимо, чтобы ее возвращаемым значением было TRUE:

 MyDLL.c 	#include <windows.h> 	#include “MyDLL.h” 
 	int WINAPI DllMain(HINSTANCE hInstance,
  DWORD fdReason, PVOID pvReserved) 
  	{ 		return TRUE; 	} 
 	EXPORT int CALLBACK MyFunction(char *str)
 	{ 		MessageBox(NULL,str,”Function from DLL”,MB_OK);
 		return 1; 	} 

 	#include <windows.h> 	#include “MyDLL.h” 
 	int WINAPI WinMain(HINSTANCE hInstance,
 HINSTANCE hPrevInstance, 			LPSTR lpCmdLine, 
 int nCmdShow) 	{ 		int iCode=MyFunction(“Hello”);
 		return 0; 	} 

Приведем теперь полностью исходный код простого приложения, которое использует функцию MyFunction из библиотеки MyDLL.dll, используя динамическую загрузку библиотеки:

 	#include <windows.h> 	typedef int 
(WINAPI *PFN_MyFunction) (char *);  	int WINAPI 
WinMain(HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevInstance, 
			LPSTR lpCmdLine, int nCmdShow)
 	{ 		HINSTANCE hMyDll;
		if((hMyDll=LoadLibrary(“MyDLL”))==NULL) return 1;  
		PFN_MyFunction pfnMyFunction; 
		pfnMyFunction=(PFN_MyFunction)
           GetProcAddress(hMyDll,”MyFunction”); 
		int iCode=(*pfnMyFunction)(“Hello”); 
 		FreeLibrary(hMyDll); 		return 0; 	}

Создание DLL

Теперь, познакомившись с принципами работы библиотек DLL в приложениях, рассмотрим способы их создания. При разработке приложении функции, к которым обращается несколько процессов, желательно размещать в DLL. Это позволяет более рационально использовать память в Windows.

Проще всего создать новый проект DLL с помощью мастера AppWizard, который автоматически выполняет многие операции. Для простых DLL, таких как рассмотренные в этой главе, необходимо выбрать тип проекта Win32 Dynamic-Link Library. Новому проекту будут присвоены все необходимые параметры для создания библиотеки DLL. Файлы исходных текстов придется добавлять к проекту вручную.

Если же планируется в полной мере использовать функциональные возможности MFC, такие как документы и представления, или намерены создать сервер автоматизации OLE, лучше выбрать тип проекта MFC AppWizard (dll). В этом случае, помимо присвоения проекту параметров для подключения динамических библиотек, мастер проделает некоторую дополнительную работу. В проект будут добавлены необходимые ссылки на библиотеки MFC и файлы исходных текстов, содержащие описание и реализацию в библиотеке DLL объекта класса приложения, производного от CWinApp.

Иногда удобно сначала создать проект типа MFC AppWizard (dll) в качестве тестового приложения, а затем — библиотеку DLL в виде его составной части. В результате DLL в случае необходимости будет создаваться автоматически.

Функция DllMain

Большинство библиотек DLL — просто коллекции практически независимых друг от друга функций, экспортируемых в приложения и используемых в них. Кроме функций, предназначенных для экспортирования, в каждой библиотеке DLL есть функция DllMain. Эта функция предназначена для инициализации и очистки DLL. Она пришла на смену функциям LibMain и WEP, применявшимся в предыдущих версиях Windows. Структура простейшей функции DllMain может выглядеть, например, так:

 	BOOL WINAPI DllMain (HANDLE hInst,DWORD dwReason,
LPVOID IpReserved) 	{ 		BOOL bAllWentWell=TRUE;
		switch (dwReason)  		{ 			case DLL_PROCESS_ATTACH: 
// Инициализация процесса.  				break; 
			case DLL_THREAD_ATTACH: // Инициализация потока. 
				break; 			case DLL_THREAD_DETACH: 
// Очистка структур потока. 				break;
 			case DLL_PROCESS_DETACH: 
 // Очистка структур процесса. 				break; 		} 
		if(bAllWentWell) 	return TRUE;
 		else			return FALSE; 	} 

Функция DllMain вызывается в нескольких случаях. Причина ее вызова определяется параметром dwReason, который может принимать одно из следующих значений.

При первой загрузке библиотеки DLL процессом вызывается функция DllMain с dwReason, равным DLL_PROCESS_ATTACH. Каждый раз при создании процессом нового потока DllMainO вызывается с dwReason, равным DLL_THREAD_ATTACH (кроме первого потока, потому что в этом случае dwReason равен DLL_PROCESS_ATTACH).

По окончании работы процесса с DLL функция DllMain вызывается с параметром dwReason, равным DLL_PROCESS_DETACH. При уничтожении потока (кроме первого) dwReason будет равен DLL_THREAD_DETACH.

Все операции по инициализации и очистке для процессов и потоков, в которых нуждается DLL, необходимо выполнять на основании значения dwReason, как было показано в предыдущем примере. Инициализация процессов обычно ограничивается выделением ресурсов, совместно используемых потоками, в частности загрузкой разделяемых файлов и инициализацией библиотек. Инициализация потоков применяется для настройки режимов, свойственных только данному потоку, например для инициализации локальной памяти.

В состав DLL могут входить ресурсы, не принадлежащие вызывающему эту библиотеку приложению. Если функции DLL работают с ресурсами DLL, было бы, очевидно, полезно сохранить где-нибудь в укромном месте дескриптор hInst и использовать его при загрузке ресурсов из DLL. Указатель IpReserved зарезервирован для внутреннего использования Windows. Следовательно, приложение не должно претендовать на него. Можно лишь проверить его значение. Если библиотека DLL была загружена динамически, оно будет равно NULL. При статической загрузке этот указатель будет ненулевым.

В случае успешного завершения функция DllMain должна возвращать TRUE. В случае возникновения ошибки возвращается FALSE, и дальнейшие действия прекращаются.

Замечание. Если не написать собственной функции DllMain(), компилятор подключит стандартную версию, которая просто возвращает TRUE.

Экспортирование функций из DLL

Чтобы приложение могло обращаться к функциям динамической библиотеки, каждая из них должна занимать строку в таблице экспортируемых функций DLL. Есть два способа занести функцию в эту таблицу на этапе компиляции.

Можно экспортировать функцию из DLL, поставив в начале ее описания модификатор __declspec (dllexport) . Кроме того, в состав MFC входит несколько макросов, определяющих __declspec (dllexport), в том числе AFX_CLASS_EXPORT, AFX_DATA_EXPORT и AFX_API_EXPORT.

Метод __declspec применяется не так часто, как второй метод, работающий с файлами определения модуля (.def), и позволяет лучше управлять процессом экспортирования.

Синтаксис файлов с расширением .def в Visual C++ достаточно прямолинеен, главным образом потому, что сложные параметры, использовавшиеся в ранних версиях Windows, в Win32 более не применяются. Как станет ясно из следующего простого примера, .def-файл содержит имя и описание библиотеки, а также список экспортируемых функций:

 MyDLL.def 	LIBRARY 		“MyDLL” 	DESCRIPTION	
‘MyDLL – пример DLL-библиотеки’ 
 	EXPORTS 		MyFunction 	@1 

В строке экспорта функции можно указать ее порядковый номер, поставив перед ним символ @. Этот номер будет затем использоваться при обращении к GetProcAddress (). На самом деле компилятор присваивает порядковые номера всем экспортируемым объектам. Однако способ, которым он это делает, отчасти непредсказуем, если не присвоить эти номера явно.

 		MyFunction 	@1 NONAME 

Иногда это позволяет сэкономить много места в файле DLL. Приложения, использующие библитеку импортирования для неявного подключения DLL, не “заметят” разницы, поскоьку при неявном подключении порядковые номера используются автоматически. Приложениям, загружающим библиотеки DLL динамически, потребуется передавать в GetProcAddress порядковый номер, а не имя функции.

При использовании вышеприведенного def-файл описания экспортируемых функций DLL-библиотеки может быть,например, не таким:

 	#define EXPORT extern “C” __declspec (dllexport)
	EXPORT int CALLBACK MyFunction(char *str); a таким:
	extern “C” 
int CALLBACK MyFunction(char *str);

Создание .def-файла для экспортирования даже простых классов из динамической библиотеки может оказаться довольно сложным делом. Понадобится явно экспортировать каждую функцию, которая может быть использована внешним приложением.

Если взглянуть на реализованный в классе файл распределения памяти, в нем можно заметить некоторые весьма необычные функции. Оказывается, здесь есть неявные конструкторы и деструкторы, функции, объявленные в макросах MFC, в частности _DECLARE_MESSAGE_MAP, а также функции, которые написанные программистом.

Хотя можно экспортировать каждую из этих функций в отдельности, есть более простой способ. Если в объявлении класса воспользоваться макромодификатором AFX_CLASS_EXPORT, компилятор сам позаботится об экспортировании необходимых функций, позволяющих приложению использовать класс, содержащийся в DLL.

Память DLL

В отличие от статических библиотек, которые, по существу, становятся частью кода приложения, библиотеки динамической компоновки в 16-разрядных версиях Windows работали с памятью несколько иначе. Под управлением Win 16 память DLL размещалась вне адресного пространства задачи. Размещение динамических библиотек в глобальной памяти обеспечивало возможность совместного использования их различными задачами.

В Win32 библиотека DLL располагается в области памяти загружающего ее процесса. Каждому процессу предоставляется отдельная копия "глобальной" памяти DLL, которая реинициализируется каждый раз, когда ее загружает новый процесс. Это означает, что динамическая библиотека не может использоваться совместно, в общей памяти, как это было в Winl6.

И все же, выполнив ряд замысловатых манипуляций над сегментом данных DLL, можно создать общую область памяти для всех процессов, использующих данную библиотеку.

Допустим, имеется массив целых чисел, который должен использоваться всеми процессами, загружающими данную DLL. Это можно запрограммировать следующим образом:

 	#pragma data_seg(".myseg") 	int sharedlnts[10] ; 	
// другие переменные общего пользования 
	#pragma data_seg() 	#pragma comment(lib,
"msvcrt" "-SECTION:.myseg,rws"); 

Все переменные, объявленные между директивами #pragma data_seg(), размещаются в сегменте .myseg. Директива #pragma comment () — не обычный комментарий. Она дает указание библиотеке выполняющей системы С пометить новый раздел как разрешенный для чтения, записи и совместного доступа.

Полная компиляция DLL

Если проект динамической библиотеки создан с помощью AppWizard и .def-файл модифицирован соответствующим образом — этого достаточно. Если же файлы проекта создаются вручную или другими способами без помощи AppWizard, в командную строку редактора связей следует включить параметр /DLL. В результате вместо автономного выполняемого файла будет создана библиотека DLL.

Если в .def-файле есть строка LIBRART, указывать явно параметр /DLL в командной строке редактора связей не нужно.

Для MFC предусмотрен ряд особых режимов, касающихся использования динамической библиотекой библиотек MFC. Этому вопросу посвящен следующий раздел.

Имеется два уровня использования структуры MFC в DLL. Первый из них — это обычная динамическая библиотека на основе MFC, MFC DLL (regular MFC DLL). Она может использовать MFC, но не может передавать указатели на объекты MFC между DLL и приложениями. Второй уровень реализован в динамических расширениях MFC (MFC extensions DLL). Использование этого вида динамических библиотек требует некоторых дополнительных усилий по настройке, но позволяет свободно обмениваться указателями на объекты MFC между DLL и приложением.

При создании обычной библиотеки MFC DLL с помощью AppWizard выбирается новый проект типа MFC AppWizard (dll). В первом диалоговом окне мастера приложений необходимо выбрать один из режимов для обычных динамических библиотек: “Regular DLL with MFC statistically linked” или “Regular DLL using shared MFC DLL”. Первый предусматривает статическое, а второй — динамическое подключение библиотек MFC. Впоследствии режим подключения MFC к DLL можно будет изменить с помощью комбинированного списка на вкладке “General” диалогового окна “Project settings”.

 	AFX_MANAGE_STATE(AfxGetStaticModuleState()) ; 

Чтобы создать новое динамическое расширение MFC, проще всего, воспользовавшись мастером приложении, присвоить проекту тип MFC AppWizard (dll) и на шаге 1 включить режим “MFC Extension DLL”. В результате новому проекту будут присвоены все необходимые атрибуты динамического расширения MFC. Кроме того, будет создана функция DllMain для DLL, выполняющая ряд специфических операций по инициализации расширения DLL. Следует обратить внимание, что динамические библиотеки данного типа не содержат и не должны содержать объектов, производных от CWinApp.

Чтобы "вписаться" в структуру MFC, динамические расширения MFC требуют дополнительной начальной настройки. Соответствующие операции выполняются функцией DllMain. Рассмотрим пример этой функции, созданный мастером AppWizard.

 	static AFX_EXTENSION_MODULE MyExtDLL = 
{ NULL, NULL } ; 	extern "C" int APIENTRY
	DllMain(HINSTANCE hinstance, DWORD dwReason, 
LPVOID IpReserved) 	{ 
		if (dwReason == DLL_PROCESS_ATTACH) 		{ 
			TRACED("MYEXT.DLL Initializing!n") ;
 			// Extension DLL one-time initialization 
			AfxInitExtensionModule(MyExtDLL, hinstance) ; 
			// Insert this DLL into the resource chain 
			new CDynLinkLibrary(MyExtDLL); 		} 
		else if (dwReason == DLL_PROCESS_DETACH) 		{ 
			TRACED("MYEXT.DLL Terminating!n") ; 		}
 		return 1; // ok 	} 

Самой важной частью этой функции является вызов AfxInitExtensionModule. Это инициализация динамической библиотеки, позволяющая ей корректно работать в составе структуры MFC. Аргументами данной функции являются передаваемый в DllMain дескриптор библиотеки DLL и структура AFX_EXTENSION_MODULE, содержащая информацию о подключаемой к MFC динамической библиотеке.

Нет необходимости инициализировать структуру AFX_EXTENSION_MODULE явно. Однако объявить ее нужно обязательно. Инициализацией же займется конструктор CDynLinkLibrary. В DLL необходимо создать класс CDynLinkLibrary. Его конструктор не только будет инициализировать структуру AFX_EXTENSION_MODULE, но и добавит новую библиотеку в список DLL, с которыми может работать MFC.

Загрузка динамических расширений MFC

Начиная с версии 4.0 MFC позволяет динамически загружать и выгружать DLL, в том числе и расширения. Для корректного выполнения этих операций над создаваемой DLL в ее функцию DllMain в момент отключения от процесса необходимо добавить вызов AfxTermExtensionModule. Последней функции в качестве параметра передается уже использовавшаяся выше структура AFX_EXTENSION_MODULE. Для этого в текст DllMain нужно добавить следующие строки.

 	if(dwReason == DLL_PROCESS_DETACH)  	{ 
		AfxTermExtensionModule(MyExtDLL); 	} 

Кроме того, следует помнить, что новая библиотека DLL является динамическим расширением и должна загружаться и выгружаться динамически, с помощью функций AfxLoadLibrary и AfxFreeLibrary,а не LoadLibrary и FreeLibrary.

Рассмотрим теперь, как осуществляется экспортирование в приложение функций и классов из динамического расширения. Хотя добавить в DEF-файл все расширенные имена можно и вручную, лучше использовать модификаторы для объявлений экспортируемых классов и функций, такие как AFX_EXT_CLASS и AFX_EXT_API,например:

 	class AFX_EXT_CLASS CMyClass : public CObject 	( 
		// Your class declaration 	} 
	void AFX_EXT_API MyFunc() ;