DLL地獄問題

ID:77367 · 發(fā)表于 2015-4-18 20:22

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  從客戶的角度，最常見的版本問題就是我們所說的 DLL Hell 問題。簡單地講， DLL Hell 是指當(dāng)多個應(yīng)用程序試圖共享一個公用組件（如某個動態(tài)連接庫（DLL）或某個組件對象模型（COM）類）時所引發(fā)的一系列問題。最典型的情況是，某個應(yīng)用程序?qū)⒁惭b一個新版本的共享組件，而該組件與機器上的現(xiàn)有版本不向后兼容。雖然剛安裝的應(yīng)用程序運行正常，但原來依賴前一版本共享組件的應(yīng)用程序也許已無法再工作。在某些情況下，問題的起因更加難以預(yù)料。比如，當(dāng)用戶瀏覽某些 Web 站點時會同時下載某個 Microsoft ActiveX® 控件。如果下載該控件，它將替換機器上原有的任何版本的控件。如果機器上的某個應(yīng)用程序恰好使用該控件，則很可能也會停止工作。

  在許多情況下，用戶需要很長時間才會發(fā)現(xiàn)應(yīng)用程序已停止工作。結(jié)果往往很難記起是何時的機器變化影響到了該應(yīng)用程序。用戶可能會回憶起一周前安裝了一些東西，但安裝與目前看到的狀態(tài)并沒有任何明顯的關(guān)聯(lián)。更糟的是，現(xiàn)在很少有診斷工具幫助用戶（或幫助他們的技術(shù)支持人員）確定有什么問題。

  這些問題的原因是應(yīng)用程序不同組件的版本信息沒有由系統(tǒng)記錄或加強。而且系統(tǒng)為某個應(yīng)用程序所做的改變會影響機器上的所有應(yīng)用程序—現(xiàn)在建立完全從變化中隔離出來的應(yīng)用程序并不容易。

我想大家一定碰到過由于新裝完應(yīng)用程序后，DLL的更新導(dǎo)致原來的一些應(yīng)用程序加載失敗的情況。這種情況有一個讓人望而生畏的名字-DLL地獄。下面的文章從DLL的原理及code的角度詳細分析了當(dāng)DLL導(dǎo)出類時所導(dǎo)致的錯誤。

DLL動態(tài)鏈接庫是程序復(fù)用的重要方式，DLL可以導(dǎo)出函數(shù)，使函數(shù)被多個程序復(fù)用，DLL中的函數(shù)實現(xiàn)可以被修改而無需重新編譯和連接使用該DLL的應(yīng)用程序。作為一名面向?qū)ο蟮某绦騿T，希望DLL可以導(dǎo)出類，以便在類的層次上實現(xiàn)復(fù)用。所幸的是，DLL確實也可以導(dǎo)出類。

然而事實卻沒這么簡單，導(dǎo)出類的DLL在維護和修改時有很多地方必需很小心，增加成員變量、修改導(dǎo)出類的基類等操作都可能導(dǎo)致意想不到的后果，也許用戶更新了最新版本的DLL庫后，應(yīng)用程序就再也不能工作了。這就是著名的DLL Hell（DLL地獄）問題。

DLL地獄問題是怎么產(chǎn)生的呢？看下面的例子，假設(shè)DLL有一個導(dǎo)出類ClassD1：
class ClassD
{
   public:
int GetInt();
            private:
int m_i;
};
int ClassD::GetInt()
{
   return m_i;
}

應(yīng)用程序使用現(xiàn)在的代碼來使用這個類：
ClassD d;
printf(“%d”, d.GetInt());

程序進行正正常，沒有什么問題。后來DLL需要升級，對ClassD進行了修改，增加了一個成員變量，如下：
class ClassD // 修改后
{
   public:
int GetInt();
            private:
                  int m_i2;
int m_i;
};

把新的DLL編譯連接完成后，復(fù)制到應(yīng)用程序目錄，這個倒楣的應(yīng)用程序調(diào)用GetInt方法恐怕再也無法得正確的值了。事實上它還算幸運的，如果GetInt的實現(xiàn)改成如下這樣，那么它馬上就要出錯退出了。
int ClassD::GetInt() // 修改后
{
return m_i++;
}

這樣的事情，稱它是個地獄（Hell）一點也不夸張。為什么會出錯呢？我們要先從類實例的創(chuàng)建開始，看看使用一個類的工作過程。

首先，程序語句“ClassD d；”為這個類申請一塊內(nèi)存。這塊內(nèi)存保存該類的所有成員變量，以及虛函數(shù)表。內(nèi)存的大小由類的聲明決定，在應(yīng)用程序編譯時就已經(jīng)確定。

然后，當(dāng)調(diào)用“d.GetInt()”時，把申請的這一塊內(nèi)存做為this指針傳給GetInt函數(shù)，GetInt函數(shù)從this指向的位置開始，加上m_i應(yīng)有的偏移量，計算m_i所在的內(nèi)存位置，并從該位置取數(shù)據(jù)返回。m_i相對this的偏移量是由m_i在類中定義的位置決定的，定義在前的成員變量在內(nèi)存中也更靠前。這個偏移量在DLL編譯時確定。

當(dāng)ClassD的定義改為修改后的狀態(tài)時，有些東西變了。

第一個變的是內(nèi)存的大小。因為修改后的ClassD多了一個成員變量，所以內(nèi)存也變大了。然而這一點應(yīng)用程序并不知道。

第二個變的是m_i的偏移地址。因為在m_i之前定義了一個m_i2，m_i的實現(xiàn)偏移地址實際已經(jīng)靠后了。所以d.GetInt()訪問的將是原來m_i后面的那個位置，而這個位置已經(jīng)超出原來那塊內(nèi)存的后部范圍了。

很顯然，在更換了DLL后，應(yīng)用程序還按原來的大小申請了一塊內(nèi)存，而它調(diào)用的方法卻訪問了比這塊內(nèi)存更大的區(qū)域，出錯再在所難免。

同樣的情形還會發(fā)生在以下這些種情況中：

1）應(yīng)用程序直接訪問類的公有變量，而該公有變量在新DLL中定義的位置發(fā)生了變化；
2）應(yīng)用程序調(diào)用類的一個虛函數(shù)，而新的類中，該虛函數(shù)的前面又增加了一個虛函數(shù)；
3）新類的后面增加了成員變量，并且新類的成員函數(shù)將訪問、修改這些變量；
4）修改了新類的基類，基類的大小發(fā)生了變化；

等等，總言而之，一不小心，你的程序就會掉進地獄。通過對這些引起出錯的情況進行分析，會發(fā)現(xiàn)其實只有三點變化會引起出錯，因為這三點是使用這個DLL的應(yīng)用程序在編譯時就需要確定的內(nèi)容，它們分別是：
1）類的大��；
2）類成員的偏移地址；
3）虛函數(shù)的順序。

要想做一個可升級的DLL，必需避免以上三個問題。所以以下三點用來使DLL遠離地獄。

1，不直接生成類的實例。對于類的大小，當(dāng)我們定義一個類的實例，或使用new語句生成一個實例時，內(nèi)存的大小是在編譯時決定的。要使應(yīng)用程序不依賴于類的大小，只有一個辦法：應(yīng)用程序不生成類的實例，使用DLL中的函數(shù)來生成。把導(dǎo)出類的構(gòu)造函數(shù)定義為私有的(privated)，在導(dǎo)出類中提供靜態(tài)(static)成員函數(shù)(如NewInstance())用來生成類的實例。因為NewInstance()函數(shù)在新的DLL中會被重新編譯，所以總能返回大小正確的實例內(nèi)存。

2，不直接訪問成員變量。應(yīng)用程序直接訪問類的成員變量時會用到該變量的偏移地址。所以避免偏移地址依賴的辦法就是不要直接訪問成員變量。把所有的成員變量的訪問控制都定義為保護型(protected)以上的級別，并為需要訪問的成員變量定義Get或Set方法。Get或Set方法在編譯新DLL時會被重新編譯，所以總能訪問到正確的變量位置。

3，忘了虛函數(shù)吧，就算有也不要讓應(yīng)用程序直接訪問它。因為類的構(gòu)造函數(shù)已經(jīng)是私有(privated)的了，所以應(yīng)用程序也不會去繼承這個類，也不會實現(xiàn)自己的多態(tài)。如果導(dǎo)出類的父類中有虛函數(shù)，或設(shè)計需要（如類工場之類的框架），一定要把這些函數(shù)聲明為保護的(protected)以上的級別，并為應(yīng)用程序重新設(shè)計調(diào)用該慮函數(shù)的成員函數(shù)。這一點也類似于對成員變量的處理。

如果導(dǎo)出的類能遵循以上三點，那么以后對DLL的升級將可以認(rèn)為是安全的。

如果對一個已經(jīng)存在的導(dǎo)出類的DLL進行維護，同樣也要注意：不要改動所有的成員變量，包括導(dǎo)出類的父類，無論定義的順序還是數(shù)量；不要動所有的虛函數(shù)，無論順序還是數(shù)量。

總結(jié)起來，其實是一句話：導(dǎo)出類的DLL不要導(dǎo)出除了函數(shù)以外的任何內(nèi)容。聽起來是不是有點可笑呢！

事實上，建議你在發(fā)布導(dǎo)出類的DLL的時候，重新定義一個類的聲明，這個聲明可以不管原來的類里的成員變量之類的，只把接口函數(shù)列在類的聲明里，如下面的例子：
class ClassInterface
{
   privated:
            ClassInterface();
   public:
            static ClassInterface * NewInstance();
            int GetXXX();
            void SetXXX();
            void Function();
};

使用該DLL的應(yīng)用程序用上面的定義作為ClassInterface的頭文件，便不會有任何可能導(dǎo)致的安全問題。

DLL地獄問是歸根結(jié)底是因為DLL當(dāng)初是作為函數(shù)級共享庫設(shè)計的，并不能真正提供一個類所必需的信息。類層上的程序復(fù)用只有Java和C#生成的類文件才能做到。

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