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 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.
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:
<facility>_<severity>_<information>
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