Одной из главных целей языка C++ являлось позволить программистам строить типы, определенные пользователем (user-defined types – UDTs), которые затем можно было бы использовать вне их исходного контекста. Этот принцип лег в основу идеи создания библиотек классов, или структур, какими мы знаем их сегодня. С момента появления C++ рынок библиотек классов C++ расширялся, хотя и довольно медленно. Одной из причин того. что этот рынок рос не так быстро, как можно было ожидать, был NIH-фактор (not invented here – «изобретен не здесь») среди разработчиков C++. Использовать код других разработчиков часто представляется более трудным, чем воспроизведение собственных наработок. Иногда это представление базируется исключительно на высокомерии разработчика. В других случаях сопротивление использованию чужого кода проистекает из неизбежности дополнительного умственного усилия, необходимого для понимания чужой идеологии и стиля программирования. Это особенно верно для библиотек-оберток (wrappers), когда необходимо понять не только технологию того, что упаковано, но и дополнительные абстракции, добавленные самой библиотекой.
Другая проблема: многие библиотеки составлены с расчетом на то, что пользователь будет обращаться к исходному коду данной библиотеки как к эталону. Такое повторное использование «белого ящика» часто приводит к огромному количеству связей между программой клиента и библиотекой классов, что с течением времени усиливает неустойчивость всей программы. Эффект чрезмерной связи ослабляет модульный принцип библиотеки классов и усложняет адаптацию к изменениям в реализации основной библиотеки. Это побуждает пользователей относиться к библиотеке как всего лишь к одной из частей исходного кода проекта, а не как к модулю повторного использования. Действительно, разработчики фактически подгоняют коммерческие библиотеки классов под собственные нужды, выпуская «собственную версию», которая лучше приспособлена к данному программному продукту, но уже не является оригинальной библиотекой.
Повторное использование (reuse) кода всегда было одной из классических мотиваций объектного ориентирования. Несмотря на это обстоятельство, написание классов C++, простых для повторного использования, довольно затруднительно. Помимо таких препятствий для повторного использования, как этап проектирования (design-time) и этап разработки (development-time), которые уже можно считать частью культуры C++, существует и довольно большое число препятствий на этапе выполнения (runtime), что делает объектную модель C++ далекой от идеала для создания программных продуктов повторного использования. Многие из этих препятствий обусловлены моделями компиляции и компоновки, принятой в C++. Данная глава будет посвящена техническим проблемам приведения классов C++ к виду компонентов повторного использования. Все задачи будут решаться методами программирования, которые базируются на готовых общедоступных (off-the-shelf) технологиях. В этой главе будет показано, как, применяя эти технологии, можно создать архитектуру для повторного использования модулей, которая позволяла бы динамично и эффективно строить системы из независимо сконструированных двоичных компонентов.
Распространение программного обеспечения и язык С++
Для понимания проблем, связанных с использованием C++ как набора компонентов, полезно проследить, как распространялись библиотеки C++ в конце 1980-х годов. Представим себе разработчика библиотек, который создал алгоритм поиска подстрок за время O (1) (то есть время поиска постоянно, а не пропорционально длине строки). Это, как известно, нетривиальная задача. Для того чтобы сделать алгоритм возможно более простым для пользователя, разработчик должен создать класс строк, основанный на алгоритме, который будет быстро передавать текстовые строки (fast text strings) в любую программу клиента. Чтобы сделать это, разработчику необходимо подготовить заголовочный файл, содержащий определение класса:
// faststring.h
class FastString
{
char *mpsz;
public:
FastString(const char *psz);
~FastString(void);
int Length(void) const;
// returns # of characters
// возвращает число символов
int Find(const char *psz) const;
// returns offset
//возвращает смещение
};
После того как класс определен, разработчик должен реализовать его функции-члены в отдельном файле:
// FastString.cpp
#include «faststring.h»
#include <string.h>
FastString::FastString(const char *psz) : mpsz(new char [strlen(psz) + 1])
{ strcpy(mpsz, psz); }
FastString::~FastString(void)
{ delete[] mpsz; }
int FastString::Length(void) const
{ return strlen(mpsz); }
int FastString::Find(const char *psz) const
{
//O(1) lookup code deleted for> clarity
1
// код поиска 0(1) удален для ясности
}
Библиотеки C++ традиционно распространялись в форме исходного кода. Ожидалось, что пользователи библиотеки будут добавлять реализации исходных файлов и создаваемую ими систему и перекомпилировать библиотечные исходные файлы на месте, с использованием своего компилятора C++. Если предположить, что библиотека написана на наиболее употребительной версии языка C++, то такой подход был бы вполне работоспособным. Подводным камнем этой схемы было то, что исполняемый код этой библиотеки должен был включаться во все клиентские приложения.
Предположим, что для показанного выше класса FastString сгенерированный машинный код для четырех методов занял 16 Мбайт пространства в результирующем исполняемом файле. Напомним, что при выполнении O(1)-поиска может потребоваться много пространства для кода, чтобы обеспечить заданное время исполнения, – дилемма, которая ограничивает большинство алгоритмов. Как показано на рис. 1.1, если три приложения используют библиотеку FastString, то каждая из трех исполняемых программ будет включать в себя по 16 Мбайт кода. Это означает, что если конечный пользователь инсталлирует все три клиентских приложения, то реализация FastString займет 48 Мбайт дискового пространства. Хуже того – если конечный пользователь запустит все три клиентских приложения одновременно, то код FastString займет 48 Мбайт виртуальной памяти, так как операционная система не может обнаружить дублирующий код, имеющийся в каждой исполняемой программе.
Есть еще одна проблема в таком сценарии: когда разработчик библиотеки находит дефект в классе FastString, нет способа всюду заменить его реализацию. После того как код FastString скомпонован с клиентским приложением, невозможно исправить машинный код FastString непосредственно в компьютере конечного пользователя. Вместо этого разработчик библиотеки должен известить разработчиков каждого клиентского приложения об изменениях в исходном коде и надеяться, что они переделают свои приложения, чтобы получить эффект от этих исправлений. Ясно, что модульность компонента FastString утрачивается, как только клиент запускает компоновщик и заново формирует исполняемый файл.
Динамическая компоновка и С++
Один из путей решения этих проблем – упаковка класса FastString в динамически подключаемую библиотеку (Dynamic Link Library – DLL). Это может быть сделано несколькими способами. Простейший из них – использовать директиву компилятора, действующую на уровне классов, чтобы заставить все методы FastString экспортироваться из DLL. Компилятор Microsoft C++ предусматривает для этого ключевое слово _declspec(dllexport):