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COM 接口基础

Yaron Nir
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2003年8月10日

9分钟阅读

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本文简要介绍了 COM 接口背后实际发生的事情。

目的

本文面向从未接触过 COM 技术​​的软件程序员。文章不涵盖 COM 基础知识，但涵盖了接口的基本概念。它使用强大的 C++ 语言，解释了一个类最终如何成为一个接口，以及形成这种结构的原因。本文只是简要介绍接口背后实际发生的事情。

目录

引言
组件历史
使用面向对象方法 (oo)
C++ 的局限性
使用 C++ 的接口基本思想
使用 C++ 的基本 COM 接口
接口继承
摘要

引言

程序员经常将代码功能分解成小的、更简单的部分。每个部分称为一个组件。其理念是将这些组件存储在库中，并通过 API 服务（应用程序编程接口）来访问它们（即组件）。这些库的重用非常简单强大，并且易于访问。

组件历史

许多程序员在开发组件时遇到了几个问题。这些问题与组件本身以及使用组件的客户端都相关。以下是开发人员遇到的一些主要问题：

  1. 范围 - 组件的范围对组件的开发人员和用户都造成了问题。组件作者的任何更改都可能影响使用该组件的应用程序，并导致整个客户端代码重新编译。
  2. 版本 - 如何强制程序员检查接口版本？维护和版本发布可能会成为一个问题。
  3. 通信 - 组件通信也是一个问题，尤其是在有多人参与编写过程时。
  4. 语言 - 如果组件是用 C++ 编写的，如何使用 Visual Basic 或 C 等语言来访问它？

解决组件开发问题的方案有几种，但其中一种强大的方法是使用面向对象的方法。

使用面向对象方法 (OO)

编写组件最常用的技术之一是使用面向对象的方法。面向对象方法的使​​用允许程序员以更抽象的方式来处理应用程序：将应用程序视为一组对象，每个对象都有其独特的属性，并且一个对象可以与另一个对象通信。使用面向对象的方法可以使程序员更容易理解应用程序的复杂性，并找到简化问题的合适解决方案。设计一个对象比阅读过程式算法要容易得多。C++ 是使用面向对象概念的语言之一。在本文中，示例是用 C++ 编写的（需要具备 C++ 基本知识）。

C++ 的局限性

实现面向对象的编程语言之一是 C++。从组件访问的角度来看，C++ 是有限的。

  1. 大小很重要 I - 假设我们有两个类，即类 A 和类 B，并且类 B 继承类 A。现在假设我们要向类 A（父类）添加一个新的数据成员。类 B 的大小会自动改变（或其虚拟表的大小），我们需要重新编译类 B 的代码。
  2. 区分 - 没有明确的方法来区分类的实现究竟在哪里（在上一个部分是类 A 和类 B）。两个类中方法的实现可以在父类（类 A）或子类（类 B）中。C++ 没有提供简单的区分方法。
  3. 大小很重要 II - 有时，使用组件（上一个部分中的类 A 和类 B）的客户端需要提前知道组件的大小。不知道大小可能会导致客户端和组件之间出现同步问题。
  4. 大小很重要 III - 假设我们向父类（上一个部分中的类 A）添加了一个虚函数，现在该类将有一个指向虚拟表的指针，并且每个继承的类也将包含一个指向虚拟表的指针，这意味着每个继承的类现在将包含额外的 4 个字节（指向虚拟表的指针），如果使用该类的客户端依赖于类的大小，通信可能会中断。

为了解决上述问题，我们使用接口。接口究竟是什么？我们如何编写代码来定义接口？我们如何与接口通信？这些问题的答案以及更多内容将在下一节中找到。

使用 C++ 的接口基本思想

考虑以下类

class CExampleArray 
{
public:
    int getLength() { return m_iLength; }

private:
    int m_iLength;
    int m_ArrVec[100];
};

如果我们创建上述类的实例，由于 `m_ArrVec` 被预定义为大小为 100，它将浪费内存空间。如果我们需要的整数数组大于 100 怎么办？该类不足以定义通用数组。

我们可以通过将固定大小更改为指针，并将数组的大小存储在另一个数据成员中来解决问题，如下面的类所示。

class CExampleArray 
{
public:
    int getLength() { return m_iLength; }

private:
    int m_iLength;
    int* m_ArrVec;
    short    m_iArrSize;
};

由于上述类中更改和添加了数据成员，因此应重新编译它，并且任何使用该类的客户端也需要重新编译才能与新类一起工作。现在在新版本的类中，类的实例不会占用浪费的内存空间，但任何依赖于数组大小的客户端都会有问题（因为一个客户端可以定义一个包含 20 个整数元素的数组，而另一个客户端可以定义一个包含 100 个整数元素的数组）。

除了改变类在内存中大小的成员之外，我们还可以添加改变大小的虚函数。

class CExampleArray 
{
public:
   virtual void ReverseArray();
    int getLength() { return m_iLength; }

private:
    int m_iLength;
    int* m_ArrVec;
    short m_iArrSize;
};

由于虚方法 `ReverseArray`，将为此类创建一个虚拟表，并且类的每个实例将包含指向虚拟表的指针 (VPTR)，这将为总类大小增加 4 个字节（指针大小）。再次，客户端与类的通信可能会中断。

假设我们不想让客户端修改类的成员数据。我们可以限制客户端对我们类的任何数据修改，并将数据处理转移到另一个类。

class CExampleArray 
{
public:
   virtual void ReverseArray();
    int getLength() { return m_pDataImpl->getLength(); }

private:
   CExampleArrayDataImpl* m_pDataImpl;
};

class CExampleArrayDataImpl
{
    // the data implementation here
}

现在所有数据成员都处理在类 `CExampleArrayDataImpl` 中。要检索或修改数据成员，我们通过调用 `m_pDataImpl` 指针指向的实现类的​​方法来访问它。实现类的大小可以改变（即添加新的数据成员，添加虚函数），但这不会导致基类大小改变，因为它只保存指向实现类的​​指针。

下图显示了两个类（`CExampleArray` 和 `CExampleArrayDataImple`）如何在内存中表示。


类 `CExampleArray` 仍然包含一个数据成员（指向 `CExampleArrayDataImple` 的指针）。我们的目标是创建一个没有任何数据成员的类，一个仅通过其方法公开的类，并允许继承类实现公开的方法。

为了做到这一点，我们需要将 `CExampleArray` 类中的所有方法头更改为纯虚函数，并且还需要从类中删除所有数据成员。

class CExampleArray 
{
public:
   virtual void ReverseArray() = 0;
    virtual int    getLength()  = 0;
};

这是一个抽象类，它只包含函数的纯虚声明（“= 0”表示纯虚）。所有数据成员都已删除。

这个抽象类被称为接口。接口基本上是一个类，只包含纯虚函数，没有数据成员。

使用此接口的客户端将只使用指向接口的指针，而无需依赖接口大小。接口的所有数据都对客户端隐藏，并在接口的继承类中实现。语法上，接口类通常以前缀 'I' 开头。从现在开始，我将把接口类 `CExampleArray` 称为 `IExampleArray`。

到目前为止，我们已经了解了接口的样子。现在让我们看看一个基本的 COM 接口是什么样的。

使用 C++ 的基本 COM 接口

让我们看看如何使用 C++ 创建 COM 接口。C++ 不允许我们创建抽象类的实例，即以下代码行无效。

IExampleArray* pNewInstance = new IExampleArray;

接口类只能通过使用指向虚拟表的指针来访问，该虚拟表公开接口中的方法。接口不是独立存在的，它通常与一个继承类一起出现，该类实现了接口中公开的方法。这种实现接口公开方法的类通常称为 co-class。下面是一个 co-class 的例子。

class CExampleArrayImpl :
public  IExampleArray
{
public:
   virtual void ReverseArray() { // implementation here }
   virtual int getLength() { // implementation here }
};

由于实现类 `CExampleArrayImpl` 没有纯虚函数，我们可以轻松创建它的实例。我们现在将编写一个方法，对实现类（co-class）执行新操作，并返回一个指向接口的有效指针（由于 C++ 的强大技术——多态性，这可以做到）。我们可以使用全局方法来创建 co-class 的实例，也可以使用静态方法。使用创建 co-class 实例并返回指向其接口的指针的技术通常称为类工厂。下面是全局创建实例的方法。

IExampleArray*CreateArrInstance()
{
    return new CExampleArrayImpl ;
}

现在，如果客户端想使用该接口，它所要做的就是通过调用 `CreateArrInstance` 方法获取指向接口对象的指针，然后调用接口的方法。

int UseTheInterfaceMethod()
{
    // obtain a pointer to the interface 
    IExampleArray* pArr = CreateArrInstance();
    // invoke the interface method
    int iLength = pArr->getLength();
    // exit successfully 
    return 0;
}

客户端看不到 `CExampleArrayImpl` 类，也不会直接使用 new 运算符。它只知道 `IExampleArray` 接口的虚拟表。接口可以像 C++ 中的类一样继承。接口继承。

我们可以创建另一个接口，它将继承自 `IExampleArray` 并成为 `IExampleArray` 的扩展（将具有与 `IExampleArray` 相同的 2 个方法，并添加自己的新方法）。

class IAnOtherExampleArray : public IExampleArray
{
public:
   // the 2 methods from the interface IExampleArray must appear here as well
  virtual void ReverseArray() = 0;
  virtual int    getLength() = 0;
    
   // new exposed method added by this interface
   virtual BOOL Find(int iKey) = 0;
};

请注意，接口之间允许继承，因为它们毕竟是类。我们现在可以创建一个新的 co-class（`IAnOtherExampleArray` 接口的实现类）。

class CExampleArrayImpl : public IAnOtherExampleArray 
{
public:
  virtual void ReverseArray() { // implementation here }
   virtual int getLength()          { // implementation here }

   // the new method implementation
   virtual BOOL Find(int iKey) { // implementation here }
};

使用上述接口的客户端将看到 `IExampleArray` 和 `IAnOtherExampleArray`，但不会看到 `CExampleArrayImpl` 和 `CAnOtherExampleArrayImpl` co-class。为了获取指向新接口 `IAnOtherExampleArray` 的指针，客户端必须使用动态转换，如下所示。

int UseTheInterfaceMethod()
{
    // obtain a pointer to the interface 
    IExampleArray* pArr = CreateArrInstance();
    // invoke the interface method
    int iLength = pArr->getLength();

    // obtain a pointer to the new interface 
    IAnOtherExampleArray *pNewArr = dynamic_cast<IAnOtherExampleArray *> (pArr);
    // invoke new interface method
    pNewArr->Find(1);    

    // exit successfully 
    return 0;
}

注意：为了使上述代码在 Visual Studio 环境下正常工作，请确保使用选项 '/GR' 进行编译，该选项启用运行时类型信息，否则您将收到编译警告（C4541）。

摘要

现在，希望您能更好地理解接口概念背后的含义。我没有在文章中涵盖 COM 问题，因为 MSDN 和开发人员网站上都有关于该技术的优秀文章。

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