IDL如何生成接口，以及与各种编程语言的关系

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#java #javascript #开发语言

前言

这里讨论的IDL（Interface Definition Language）在COM中用于定义接口和组件，它是一种描述性语言，不依赖于任何编程语言。IDL文件定义了接口、方法、参数和返回值等，然后通过MIDL（Microsoft IDL编译器）编译生成一些代码和文件，这些文件可以被不同编程语言使用。

IDL如何生成接口？

编写IDL文件：开发者编写一个.idl文件，其中包含接口定义、CoClass（组件类）定义、类型库定义等。
MIDL编译：使用MIDL编译器编译.idl文件，会生成以下文件：
- 头文件（.h）：包含C/C++语言中接口定义的头文件，其中包含了接口的GUID定义、接口声明（抽象基类）等。
- 类型库文件（.tlb）：二进制文件，包含了类型信息，可以被其他语言（如VB、C#、Delphi等）使用来了解接口和组件的定义。
- 代理/存根代码（_p.c, _i.c）：用于跨进程/跨机器通信的代理和存根代码，这些代码需要被编译成DLL并注册，以便在跨边界调用时进行列集（marshaling）和散集（unmarshaling）。
实现接口：开发者根据生成的C++头文件，实现接口的具体类。这个类必须继承自接口（即IDL中定义的接口，在C++中表现为纯虚基类）并实现所有方法。
注册组件：将组件的CLSID和路径等信息写入注册表，以便客户端可以通过CoCreateInstance创建组件。

与各种编程语言的关系

IDL生成的输出（特别是类型库.tlb）可以被多种编程语言使用，从而实现了跨语言互操作。

C++：直接使用MIDL生成的头文件，包含接口定义和GUID。开发者可以基于这些头文件实现接口和组件。
Visual Basic：VB可以通过引用类型库（.tlb）来使用COM组件。VB的早期绑定就是通过类型库实现的，这样在编码时就可以有IntelliSense，并且编译时检查类型。
C#：在.NET中，可以通过“添加引用”来引用COM组件，IDE会自动从类型库生成一个互操作程序集（Interop Assembly），其中包含了对应接口和组件的.NET定义（通常作为托管接口和类）。这称为COM Interop。
脚本语言（如VBScript, JavaScript）：脚本语言可以通过COM的IDispatch接口（后期绑定）来调用组件，或者如果组件支持双接口（同时继承自IDispatch和自定义接口），则可以通过类型库提供类型信息，实现更高效的调用。

工作原理和机制

跨语言兼容性：IDL提供了一种中立的方式来描述接口，然后通过编译生成不同语言需要的绑定代码。这样，不同语言都可以按照同一种二进制标准（COM）来创建和调用对象。
类型库的作用：类型库是二进制文件，它描述了接口、方法、参数、返回值、组件类等。它使得那些不直接使用C++头文件的语言（如VB、C#）能够获得类型信息，从而进行早期绑定（在编译时检查类型）和提供智能感知。
代理/存根机制：当客户端和组件不在同一个进程空间时，COM需要跨进程通信。MIDL生成的代理/存根代码负责将接口方法的调用及其参数打包（列集）成一种标准格式，通过RPC（远程过程调用）传输到另一个进程，然后由存根代码解包（散集）并调用实际对象的方法，再将结果以同样方式返回。
GUID的重要性：每个接口和组件类都有一个全局唯一标识符（GUID），这确保了不同开发者定义的接口和组件不会发生命名冲突，也使得客户端能够明确地请求特定的接口。

示例

假设我们有一个简单的IDL文件：

import "oaidl.idl";
import "ocidl.idl";

[
    object,
    uuid(12345678-1234-1234-1234-123456789ABC), // IID
    dual,
    pointer_default(unique)
]
interface IMyInterface : IDispatch
{
    [id(1)] HRESULT MyMethod([in] BSTR input, [out, retval] BSTR* output);
};

[
    uuid(12345678-1234-1234-1234-123456789ABD), // CLSID
    version(1.0)
]
coclass MyComponent
{
    [default] interface IMyInterface;
};

使用MIDL编译后，会生成：

MyInterface.h：C++头文件，包含IMyInterface的抽象基类定义和GUID。
MyComponent.tlb：类型库文件。

在C++中，我们可以包含头文件，然后实现IMyInterface接口：

#include "MyInterface.h"

class CMyComponent : public IMyInterface
{
    // 实现IUnknown和IMyInterface的方法
    // ...
};

在C#中，我们可以通过“添加引用”来引用MyComponent.tlb，然后就可以这样使用：

MyComponentClass obj = new MyComponentClass();
string result = obj.MyMethod("input");

IDL是COM技术的核心之一，它通过中立的语言定义接口，然后通过编译生成多种语言所需的代码和类型信息，从而实现了跨语言、跨进程的组件模型。其背后的机制包括类型库、代理/存根、GUID和COM运行时等。

IDL是COM技术栈中实现跨语言互操作性的基石，下面来具体深入探讨一下。

一. 什么是IDL

"接口定义语言"是一种用于精确定义软件组件接口的"描述性语言"。它本身不是编程语言，不包含任何实现逻辑。它的核心作用是生成一份所有相关方都能认可的、无歧义的"合同”。

在COM中，使用的是微软的IDL，通常以 `.idl` 为文件扩展名。

IDL如何生成接口？

IDL文件本身并不生成接口的实现，而是生成定义接口所需的代码框架和类型信息。这个过程由一个叫做<MIDL>的编译器来完成。

整个过程可以分为以下几个步骤：

1.1 编写IDL文件

开发者首先编写一个 `.idl` 文件，用它来描述接口。一个典型的IDL文件包含以下内容：
// 引入基础定义
import "oaidl.idl";
import "ocidl.idl";

// 定义接口的IID（全局唯一标识符）
[
object,
uuid(12345678-1234-1234-1234-123456789ABC), // 这是一个GUID
dual, // 这是一个双接口，既支持早期绑定也支持后期绑定
pointer_default(unique)
]
interface IMyCalculator : IDispatch
{
// 定义接口的方法
HRESULT Add([in] LONG num1, [in] LONG num2, [out, retval] LONG* result);
HRESULT Subtract([in] LONG num1, [in] LONG num2, [out, retval] LONG* result);
};

// 定义实现该接口的组件的CLSID
[
uuid(12345678-1234-1234-1234-123456789ABD)
]
coclass MyCalculator
{
[default] interface IMyCalculator;
};

1.2 使用MIDL编译器编译

使用命令行工具 `midl.exe` 来编译这个IDL文件：
midl MyCalculator.idl

1.3 MIDL的输出（生成物）

MIDL编译器会生成一系列关键文件，这些文件是连接IDL定义和具体编程语言的桥梁：

1）头文件（.h）： 用于 C/C++。
* 包含了接口的C++定义，本质上是一个**纯虚类**。
* 包含了接口ID和类ID的GUID声明。
* 作用： C++的服务器端（实现者）可以继承这个纯虚类来实现接口。

C++的客户端（调用者）可以包含这个头文件来知晓接口的结构。

2）类型库文件（.tlb）： 用于非C+语言（如VB, C#, Delphi, 脚本语言）。
* 这是一个二进制的文件，但它包含了IDL文件中所有的类型信息、接口定义、方法签名等。
* 作用：它是高级语言认识COM组件的“说明书”。VB、C#等语言通过“引用”这个.tlb文件，就能在编译时知道接口的存在和方法签名，从而实现早期绑定。

3）代理/存根代码（_p.c, _i.c, dlldata.c）： 用于跨进程通信。
* 当COM客户端和COM对象不在同一个进程空间时（例如，客户端是.exe，对象在.dll中，或者对象在另一台机器上），COM需要一种机制来“打包”和“解包”方法调用的参数。这个过程叫做列集。
* MIDL生成的代理/存根代码就是专门负责这个工作的。它们需要被编译成一个单独的DLL（ps.dll）并注册到系统中。

二. 与各种编程语言的关系

IDL/MIDL生成的不同输出，正是为了适应不同编程语言的工作方式。

2.1 与 C++ 的关系

* 工作方式：直接使用头文件（.h）。
* 工作机制：
a) 服务器端（实现者）：包含 `.h` 文件，定义一个C++类，公开继承自 `IMyCalculator`，并实现所有的纯虚函数（包括 `IUnknown` 的方法）。
b) 客户端（调用者）： 包含 `.h` 文件，在代码中就可以直接使用 `CoCreateInstance` 和 `QueryInterface` 来获取接口指针并调用方法。
* 工作特点：性能最高，因为调用是直接的虚函数表指针调用。

2.2 与 Visual Basic / VBScript 的关系

* 工作方式：引用类型库（.tlb）。
* 工作机制：
a) 在VB IDE中，通过“Project” -> “References”添加对 `.tlb` 文件或包含TLB的DLL的引用。
b) 之后，VB就能像使用原生对象一样使用COM对象：
Dim calc As MyCalculator
Set calc = New MyCalculator
Dim result As Long
result = calc.Add(5, 10) ‘ 看起来就像调用本地方法
c) VB编译器在背后通过类型库信息，自动处理了 `CoCreateInstance`、`QueryInterface` 和列集等复杂操作。
* 工作特点：极大地简化了COM的使用，生产力高，实现了早期绑定（编译时检查类型）。

2.3 与 C# / .NET 的关系

* 工作方式：通过“互操作程序集”。
* 工作机制：
a) 在Visual Studio中“添加引用”到一个COM组件时，IDE会自动运行 **TlbImp.exe** 工具，将 `.tlb` 文件转换成一个 **.NET 程序集**。
b) 这个程序集被称为“主互操作程序集”，它包含了对应COM接口和CoClass的 .NET 定义（如 `interface IMyCalculator` 和 `class MyCalculatorClass`）。
c) .NET 客户端代码通过 **RCW** 与COM对象交互。RCW负责将 .NET 调用转换为COM调用，并管理COM对象的生命周期（将 .NET 的垃圾回收转换为COM的引用计数）。
```csharp
// 在C#中，使用起来和普通.NET对象几乎没有区别
MyCalculatorClass calc = new MyCalculatorClass();
int result = calc.Add(5, 10);
```
* 工作特点：实现了 .NET 和 COM 世界之间的无缝桥接。

2.4 与脚本语言（如JScript）的关系

* 工作方式：通过IDispatch接口（后期绑定）。
* 工作机制：
a) 脚本引擎（如ASP中的VBScript/JScript）通常不支持类型库。它们通过COM的 `IDispatch` 接口来动态地调用方法。
b) 脚本引擎调用 `IDispatch::GetIDsOfNames` 将方法名“Add”转换成一个数字DISPID。
c) 然后调用 `IDispatch::Invoke`，传入这个DISPID和参数数组，来执行方法。
d) 如果COM对象是一个**双接口**（像我们IDL例子中的 `dual`），它既支持通过vTable直接调用（C++/VB），也支持通过 `IDispatch` 调用（脚本）。
* 工作特点：灵活性高，但性能低于直接vTable调用，且没有编译时类型检查。