ATL揭秘之“对象创建”篇

 

ATL揭秘之“对象创建”篇

程  化

1         问题

当我们用VC++ ATL工程创建了一个COM工程，实现了一个自己的COM对象，又在另一个程序中CoCreateInstance这个COM对象时，不知你是否想过这样的问题：COM对象是用C++类对象实现的，但是，我们从来没有在自己的代码中创建这些C++类对象——比如，“new”这些对象。那么，实现COM对象的C++对象是由谁，何时，以及如何创建的呢？

当然，简单而且正确的回答是：ATL在幕后帮助我们完成了这些工作。如果你不想了解ATL的工作细节，这样的回答应该是足够了。然而，ATL本身的思想就是“白盒”操作，想要用好ATL，就应该尽量多地了解ATL的工作细节。所以，搞清楚这个问题还是很有必要的。

想到这个问题后，出于懒惰的天性，我首先上网，试图找到别人对于这个问题的讲述，然而，大家要么讨论C++对象，要么讨论ATL其他的机制，似乎没有人特别关注ATL COM对象的创建过程，更比较少有人留心ATL如何将COM对象创建过程转换到C++对象创建过程上。

在研究这个问题的过程中，我逐渐发现这个问题很有意思，对这个问题的完整回答涉及了ATL相当多的基础结构。弄清楚了这个问题，对ATL的了解也会加深不少。

下面，我们就一起开始ATL对象创建揭秘之旅。

2          “对象”探讨

既然谈“对象创建”，则有必要对“对象”这个概念作一点讨论。在实际工作中，我感觉不少人对“对象”这个概念有不少误解；对“COM对象”也没有清晰的认识。

2.1      对象性质

这似乎是老生常谈了。对象性质，不就是“封装、继承、多态”这三个陈词滥调吗？然而，孔老夫子教导我们说：“温故而知新”。真理往往就蕴含在陈词滥调中。经过这些年的软件生涯，我对这句“陈词滥调”似乎有了更多地理解：

首先，“对象性质”是个独立的概念，也就是说，凡是具备了这个性质的东西就可以被称作对象。因此，一来“对象”不一定要用面向对象的语言编写，二来“对象”也可以具备各种环境下的语义——面向对象语言生成的对象是“编程语言”语义下的对象，如“C++对象”； 面向组件的开发生成的对象是“组件环境”语义下的对象，如“COM对象”。

其次，对象性质中的“继承”、“多态”需要好好斟酌。

什么是“继承”？是不是一定要用“CMyObject::CBaseObject”这样的语法才叫继承？当然不是，“继承”应该是对“对象层次结构”的有效处理。只要能够有效地处理对象层次结构，使低层对象能够自动具备高层对象的特性、行为，就应该可以被叫做“继承”。“CMyObject::CBaseObject”干的是什么事？不就是把CBaseObject的成员变量复制给了CMyObject，并且使CMyObject的对象能够调用CBaseObject的公有和保护方法吗？

再说“多态”。C++语言说“多态”就是支持虚函数调用，这样讲对，但是局限在C++语言本身上。“虚函数调用”是某些语言的特性，难道没有虚函数的语言就无法支持多态了？其实“多态”这个词本身译得很好，直抒其意——“多姿多态”。“多态”本质上是“运行时决定行为”。只要能够在运行时才决定如何行动，而不是在编译时决定，就是“多态”。

综合看来，“继承”和“多态”都不是面向对象语言的专利，其他的语言，只要能够通过某种机制实现这些特性，就可以实现“对象”。

2.2      COM对象

COM规范对于COM对象如何做到“封装、继承、多态”有自己的规定。该规定不依赖具体语言，不依赖具体的操作系统环境，所以，我们说COM规范是语言中立和平台中立的（当然，提供平台的人并不中立，这和规范的中立是两码事）。

• “封装”：COM对象只处理行为封装，其工具是“接口”；
• “继承”：COM的继承不是源代码级别，是二进制代码级别。COM对象提供了两种方式来继承对象的二进制代码——“包容”和“聚合”；
• “多态”：COM的“运行时决定行为”能力来自不同对象实现同一接口。使用COM的统一方式——QueryInterface，我们可以找到不同COM对象对同一接口的实现，从而实现“运行时决定行为”。

当然，COM对象除了这老三样之外，还要其他性质，其中最重要的就是对象的“生命周期管理”。“生命周期管理”通过AddRef和Release这两个“引用计数”函数实现。

 

3         ATL COM对象

ATL实现COM对象的基本思路是：针对不同的COM对象性质，分层处理。不同的ATL类层次处理特定的COM对象特性。

ATL COM对象的层次结构如下图所示：

从上图可以看到：

• 最基础的类是CComObjectRootBase。该类除了提供InternalQueryInterface方法外，还实现了若干帮助方法可供最终派生类CComObject调用；
• CComObjectRootEx是个模板类。该类根据不同的线程模型生成足够线程安全的InternalAddRef和InternalRelease函数。为什么只提供一个CComObjectRootEx类呢？我觉得主要的原因是：CComObjectRootBase实现的InternalQueryInterface不涉及对类成员数据的线程保护，不涉及线程安全因素；CComObjectRootEx的InternalAddRef和InternalRelease方法则和线程安全密切相关，故CComObjectRootEx有必要作为模板类实现。将这两个类揉到一起实现反而显得不清晰；
• 我们自己定义的类直接从CComObjectRootEx继承，根据需要选择不同的线程模型；
• ATL最后实际创建的COM对象是CComObject、CComAggObject等类的实例。这些类负责真正实现QueryInterface、AddRef和Release方法，具体选择哪个类根据宏定义来决定。具体在哪里定义什么宏在4.3节会讲到。

4         ATL COM对象创建——内部机制

所谓内部机制，指的是类厂创建COM对象的过程。由于类厂也在COM对象的实现类中实现，所以，类厂对象创建相应COM对象的过程可以看作是COM对象的内部过程。

正是在这个内部机制中，“COM对象创建”这个动作被转换到“C++对象创建”这个动作上。

下图是对内部机制的简单勾勒：

从这幅图中可以看到，内部创建主要涉及三个类的交互作用，它们是：CComCreator，CComClassFactory和CComCoClass。下面就对这三个类分别讲述。

4.1      CComCreator——COM对象创建器

COM规范要求用类厂来创建COM对象，其目的是使COM对象能够控制自己的创建过程（“类厂”设计模式的典型应用）。由于类厂对象本身也是一个COM对象，所以，ATL为了统一COM对象的创建过程，封装了一个CComCreator类。ATL CComCreator这个类的作用很单纯，正如其名字所表示的——创建COM对象。该类包装了一个CreateInstance静态方法（之所以是静态方法，因为该方法要放到_ATL_OBJMAP_ENTRY中，后面会讲到），正是在CComCreator的CreateInstance方法中，ATL COM对象创建被转换到具体的C++对象创建上。由于这个类如此重要，因此有必要列出这个类的实现：

 

template <class T1>

class CComCreator

{

public:

    static HRESULT WINAPI CreateInstance(void* pv, REFIID riid,
       LPVOID* ppv)

    {

       ATLASSERT(*ppv == NULL);

       HRESULT hRes = E_OUTOFMEMORY;

       T1* p = NULL;

       ATLTRY(p = new T1(pv))

       if (p != NULL)

       {

           p->SetVoid(pv);

           p->InternalFinalConstructAddRef();

           hRes = p->FinalConstruct();

           p->InternalFinalConstructRelease();

           if (hRes == S_OK)

              hRes = p->QueryInterface(riid, ppv);

           if (hRes != S_OK)

              delete p;

       }

       return hRes;

    }

};

其中，底色是黄色的那句代码就是实际创建C++对象的代码。看到熟悉的“new”了。

从这个类是模板类也可以看出，ATL中所有的COM对象创建，最终其实都是由CComCreator类负责。比如，创建COM对象可以用CComCreator<CComObject>的形式；创建类厂类可以用CComCreator<CComClassFactory>的形式。后面那个CComCreator的CComClassFactory就是我们说的类厂类。

4.2      CComClassFactory

每个COM对象类都有一个自己的类厂类，专门负责创建该类的类对象。在ATL中，缺省的类厂类是CComClassFactory。类厂类也有一个CreateInstance方法，该方法调用类厂类保存的COM对象类的CComCreator的静态CreateInstance函数指针，创建相应的COM对象。

4.3      CComCoClass

CComCoClass是一个非常重要的ATL实现类。基本上我们自己的类都要从CComCoClass继承。为什么？因为CComCoClass定义了两个宏：

    DECLARE_CLASSFACTORY()

    DECLARE_AGGREGATABLE(T)

前一个宏定义了_ClassFactoryCreatorClass——类厂类的创建者，该创建者可以使用不同的类厂类作为模板参数，为COM对象的创建过程提供了灵活性；后一个宏定义了_CreatorClass——COM对象类的创建者，该创建者使用CComObject类族的不同类作为模板参数，为COM对象QueryInterface、AddRef和Release函数的实现方式提供了不同选择。

通过继承CComCoClass，我们自己的类就继承了CComCoClass对类厂和最后生成类的实现。

CComCoClass也有一个CreateInstance方法。该方法纯粹是对_CreatorClass::CreateInstance方法的包装。因为我们的类继承自CComCoClass，经过这个包装后，就可以直接以CUserClass::CreateInstance的方式来调用CComCreator::CreateInstance了。

 

上图看到的三个CreateInstance方法，各有各的意义，这里总结一下：

CComCreator::CreateInstance	真正创建C++对象的所在
CComClassFactory::CreateInstance	调用_CreatorClass::CreateInstance
CComCoClass::CreateInstance	调用_CreatorClass::CreateInstance

 

至此，估计大家一定有一个疑问：_CreatorClass::CreateInstance由类厂对象的CreateInstance调用；_ClassFactoryCreatorClass::CreateInstance又由谁来调用呢？这就是我们要进入的下一个论题：ATL COM对象创建的外部机制。

5         ATL COM对象创建——外部机制

所谓“外部机制”，指的是应用程序创建ATL COM对象类厂的过程。应用程序并不关心COM对象是MFC实现方式的还是ATL实现方式的，它永远使用CoCreateInstance这类API函数，通过类厂创建COM对象。在ATL下，应用程序对CoCreateInstance的调用，是如何转换到对ATL COM对象类厂CreateInstance方法的调用的呢？

5.1      COM服务器

COM对象不能凭空存在，它必须存在于操作系统的某种可执行文件中。由于只有Windows操作系统支持COM规范，很自然地，COM对象存在于Windows操作系统的可执行文件中。

Windows操作系统的可执行文件，其格式主要有两种：EXE和DLL。这里就不必要说这两种文件格式的区别了吧。如果不知道，这篇文章你估计也看不懂了。

能够生成COM对象的可执行程序叫COM服务器。EXE是进程外服务器，DLL是进程内服务器。这里只讨论DLL的情况。由于DLL本身只能通过对外输出的函数与外界交互，所以，DLL作为COM服务器也是通过四个输出函数来体现其服务器的作用。这就是著名的四个函数：

• DllRegisterServer；
• DllUnregisterSever；
• DllGetClassObject；
• DllCanUnloadNow；

COM服务器的工作机制可以用下图来表示：

 

COM服务器的重要功能可以归纳为三个：

• 管理服务器的生命周期；
• 管理服务器和对象的注册；
• 获得COM对象的类厂；

我们可以看到，作为COM服务器的DLL，用四个函数来完成这三个方面的功能。四个输出函数的调用时机分别如下：

• DllRegisterServer、DllUnregisterServer：使用regsvr32程序注册和反注册服务器时；
• DllCanUnloadNow：当调用CoFreeUnusedLibraries系统函数时；
• DllGetClassObject：从函数的字面意思来理解，应该是创建COM对象时该函数被调用。而我们知道创建COM对象的API函数是CoCreateInstance。CoCreateInstance是个封装函数，它包装了对CoGetClassObject，以及相应类厂的CreateInstance函数的调用。CoGetClassObject通过注册表机制，找到相应的服务器，并且调用服务器的DllGetClassObject函数来获得类厂。一旦获得类厂对象，就可以调用类厂对象的CreateInstance方法来创建COM对象了。

5.2      ATL COM服务器

前面讲的是所有COM服务器都应该遵循的工作流程。不同的COM实现，实现这个流程的方式也不同。对于ATL来说，其具体的实现可以用下图简略体现：

 

ATL COM服务器主要通过CComModule类和_ATL_OBJMAP_ENTRY结构来实施服务器管理。前面讲过，COM服务器的主要职能是三个：管理服务器生命周期、注册组件、获得COM对象的类厂，所以，CComModule的成员函数也围绕这三个方面。同样，_ATL_OBJMAP_ENTRY数据结构中的内容也紧紧围绕着这三个方面。由于本文讨论COM对象创建，所以，对服务器管理的讨论也局限在“获得COM对象的类厂”上。ATL COM服务器实现“获得COM对象的类厂”的步骤如下：

1、 所有的ATL工程都会生成一个全局变量，其类型为CComModule，名字固定为_Module。

2、 DLL的四个输出函数内部都是调用_Module的成员函数来实现其功能。

3、 CComModule提供了一系列成员函数来管理COM服务器，这些方法基本都工作在_ATL_OBJMAP_ENTRY结构数组上。

4、 _ATL_OBJMAP_ENTRY结构内的成员基本上都是一些静态成员函数指针。最重要的函数指针是两个：pfnGetClassObject和pfnCreateInstance，它们都指向CComCreator的静态成员函数CreateInstance。

5、 _ATL_OBJMAP_ENTRY结构数组由三个宏配合定义：BEGIN_OBJ_MAP、OBJECT_ENTRY和END_OBJ_MAP。其中，OBJECT_ENTRY宏比较重要，有必要在下面列出其定义：

 

#define OBJECT_ENTRY(clsid, class) /

{&clsid, class::UpdateRegistry, /

class::_ClassFactoryCreatorClass::CreateInstance, /

class::_CreatorClass::CreateInstance, NULL, 0, /

class::GetObjectDescription, class::GetCategoryMap, /

class::ObjectMain },

 

注意黄底色部分。该宏用class的数据成员_ClassFactoryCreatorClass的CreateInstance静态函数指针填充到pfnGetClassObject位置。用_CreatorClass的CreateInstance静态函数指针填充到pfnCreateInstance位置。

要找到一个特定的类厂，DllGetClassObject 将调用CComModule的成员函数GetClassObject。GetClassObject遍历结构数组，找到相应的CLSID对应的_ATL_OBJMAP_ENTRY结构。ATL会先检查结构中的pCF，这是ATL缓存的类厂对象指针，如果不为空，则可以直接利用该指针来创建COM对象，如果为空，则调用结构中的pfnGetClassObject函数指针，创建相应的类厂对象并且把类厂对象的指针缓存到pCF成员数据中。

6         ATL COM对象创建——内外结合

本文中，先讲了ATL COM对象本身，接着讲了ATL COM对象创建的内部机制——ATL COM对象的类厂如何创建ATL COM对象；再接着讲了ATL COM对象创建的外部机制——ATL COM服务器如何创建ATL COM对象的类厂。有个这几方面的了解之后，我们再把相关的知识结合起来，看一看ATL COM对象创建的统一场景。图示如下：

 

图中左上部分是ATL COM对象本身；右上部分是ATL COM对象的创建；中下部分是ATL COM服务器对COM对象的管理。

对每个部分的作用，本文各个部分已经有了具体描述，这里要强调的是图中标示为红色部分：_ATL_OBJMAP_ENTRY结构和CComCreator，正是通过它们，图中三个部分有机地联系到了一起，完成了ATL COM对象创建的任务。

通观本文，没有给什么“示范代码”，而是力求从本人理解的COM原理的角度探讨ATL的COM对象创建机制。有可能这样的讨论在理论真正精深者看来不值一哂，然而，本人希望那些觉得ATL不好理解的人有了这次ATL COM对象创建过程探索的经历，能够感觉ATL好把握一些了，不再是若干莫名其妙的模板类的组合了。