54.Библиотеки динамической компоновки dll

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.

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.

Однако если библиотека используется только одним приложением, лучше сделать ее обычной, статической. Конечно, если входящие в ее состав функции будут использоваться только в одной программе, можно просто вставить в нее соответствующий файл с исходным текстом.

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.

Статическое подключение DLL (неявное подключение)

При статическом подключении DLL имя соответствующего ей .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.

Загрузка неявно подключаемой DLL

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

Вместо того чтобы Windows выполняла динамическое связывание с DLL при первой загрузке приложения в оперативную память, можно связать программу с модулем библиотеки во время выполнения программы (при таком способе в процессе создания приложения не нужно использовать библиотеку импорта).

В частности, можно определить, какая из библиотек DLL доступна пользователю, или разрешить пользователю выбрать, какая из библиотек будет загружаться. Таким образом, можно использовать разные DLL, в которых реализованы одни и те же функции, выполняющие различные действия.

Например, приложение, предназначенное для независимой передачи данных, сможет в ходе выполнения принять решение, загружать ли DLL для протокола TCP/IP или для другого протокола.

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.

Стандартным расширением файла библиотеки Windows считает .dll, если не указать другое расширение. Если в имени файла указан и путь, то только он будет использоваться для поиска файла. В противном случае Windows будет искать файл по той же схеме, что и в случае неявно подключенных DLL, начиная с каталога, из которого загружается exe-файл, и продолжая в соответствии со значением PATH.

Когда Windows обнаружит файл, его полный путь будет сравнен с путем библиотек DLL, уже загруженных данным процессом. Если обнаружится тождество, вместо загрузки копии приложения возвращается дескриптор уже подключенной библиотеки.

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

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

Файл библиотеки также несколько отличается от обычных файлов на языке C для Windows. В нем вместо функции WinMain имеется функция DllMain.

После трансляции и компоновки файлов библиотеки появляются два файла – MyDLL.dll (сама динамически подключаемая библиотека) и MyDLL.lib (ее библиотека импорта).

При неявном подключения DLL следует в исходный текст помимо вызова функции MyFunction из DLL-библиотеки включить и заголовочный файл этой библиотеки MyDLL.h.

Также необходимо на этапе компоновки приложения подключить к нему библиотеку импорта MyDLL.lib (процесс неявного подключения DLL к исполняемому модулю).

Чрезвычайно важно понимать, что сам код функции MyFunction не включается в файл MyApp.exe. Вместо этого там просто имеется ссылка на файл MyDLL.dll и ссылка на функцию MyFunction, которая находится в этом файле. Файл MyApp.exe требует запуска файла MyDLL.dll.

Заголовочный файл MyDLL.h включен в файл с исходным текстом программы MyApp.c точно так же, как туда включен файл windows.h. Включение библиотеки импорта MyDLL.lib для компоновки аналогично включению туда всех библиотек импорта Windows. Когда программа MyApp.exe работает, она подключается к библиотеке MyDLL.dll точно так же, как ко всем стандартным динамически подключаемым библиотекам Windows.

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 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, 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.

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

Функция DllMain вызывается в нескольких случаях: при первой загрузке библиотеки DLL процессом, каждый раз при создании процессом нового потока, при уничтожении потока (кроме первого), по окончании работы процесса с DLL.

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)

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

Синтаксис файлов определения модуля (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.

В строке экспорта можно использовать параметр NONAME. Он запрещает компилятору включать имя функции в таблицу экспортирования DLL:

MyFunction @1 NONAME

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

Экспортирование классов

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.