Создание библиотек программирования

Создание библиотек программирования в общем напоминает создание обычных приложений, однако есть определённые тонкости.

Visual Studio: разработка библиотек похожа на разработку обысн

В заголовочном файле библиотеки описываются ресурсы, предназначенные для экспорта (то есть для использования программами). Эти ресурсы называются интерфейсом библиотеки (или программным интерфейсом библиотеки – API от Application Programming Interface). Пример заголовочного файла статической библиотеки, описывающей работу с комплексными числами, представлен на листинге 1. Как видно, это обычное объявление класса.

Листинг 1. Заголовочный файл библиотеки комплексных чисел.

complex.h

#ifndef COMPLEX_H
#define COMPLEX_H

#include <iostream>
#include <string>

class complex{
    double _real, _imaginary;
public:
    complex(const double& = 0, const double& = 0);
    complex(const complex&);
    ~complex();
    
    void operator +=(const complex&);
    void operator -=(const complex&);
    void operator *=(const complex&);
    void operator /=(const complex&);
    
    complex& operator = (const complex&);
    complex& operator = (const double&);
    
    const double& real() const;
    const double& imaginary() const;
    void swap(complex&);
    std::string toString() const;
    double module() const;
    complex conjugate() const;
};

complex operator + (const complex&, const complex&);
complex operator - (const complex&, const complex&);
complex operator * (const complex&, const complex&);
complex operator / (const complex&, const complex&);

std::ostream& operator << (std::ostream&, const complex&);
bool operator  == (const complex&, const complex&);

complex pow(const complex&, const complex&);
double abs(const complex&);

#endif	/* COMPLEX_H */

Заголовочные файлы могут включаться в проект несколько раз. Это может вызывать избыточное определение типов данных и переменных, что будет приводить к ошибкам компиляции. Именно поэтому описание ресурсов библиотек в заголовочных файлах заключается между директивами препроцессора

#ifndef CONSTANT_NAME
#define CONSTANT_NAME

//…

#endif

Эти директивы на этапе препроцессирования программного кода позволяют включать определения ресурсов только один раз.

Компиляторы фирмы Microsoft (и Intel) позволяют использовать вместо конструкции ветвления препроцессора конструкцию

#pragma once

Что является предписанием компилятору, что данный файл подключается только раз.

Реализация объявленных в заголовочном файле ресурсов происходит, как и обычно, в файле cpp.

Листинг 2. Реализация класса комплексных чисел.

complex.cpp

#include "complex.h"
#include <sstream>

complex::complex(const double& r, const double& im): _real(r), _imaginary(im){}
complex::complex(const complex& c): _real(c._real), _imaginary(c._imaginary){}
complex::~complex(){}

void complex::operator +=(const complex& c){
    _real += c._real;
    _imaginary += c._imaginary;
}
void complex::operator -=(const complex& c){
    _real -= c._real;
    _imaginary -= c._imaginary;
}
void complex::operator *=(const complex& c){
    complex tmp;
    tmp._real = _real*c._real - _imaginary*c._imaginary;
    tmp._imaginary = _real*c._imaginary + _imaginary*c._real;
    swap(tmp);
}
void complex::operator /=(const complex& c){
    complex tmp;
    tmp = (*this) * c.conjugate();
    _real = tmp._real / c.module();
    _imaginary = tmp._imaginary / c.module();
}

complex& complex::operator =(const complex& c){
    _real = c._real;
    _imaginary = c._imaginary;
    return *this;
}
complex& complex::operator =(const double& d){
    _real = d;
    _imaginary = 0;
    return *this;
}

const double& complex::real() const { return _real; }
const double& complex::imaginary() const { return _imaginary; }
void complex::swap(complex& c){
    complex tmp(c);
    c._imaginary = _imaginary;
    c._real = _real;
    _imaginary = tmp._imaginary;
    _real = tmp._real;
}
std::string complex::toString() const{
    std::ostringstream strcout;
    strcout << _real << " + i*( " << _imaginary << " )";
    return strcout.str();
}
double complex::module() const{
    return _real*_real + _imaginary*_imaginary;
}
complex complex::conjugate() const{
    return complex(_real, -_imaginary);
}

// extern class interface
complex operator + (const complex& c1, const complex& c2){
    complex tmp(c1);
    tmp += c2;
    return tmp;
}
complex operator - (const complex& c1, const complex& c2){
    complex tmp(c1);
    tmp += c2;
    return tmp;
}
complex operator * (const complex& c1, const complex& c2){
    complex tmp(c1);
    tmp += c2;
    return tmp;
}
complex operator / (const complex& c1, const complex& c2){
    complex tmp(c1);
    tmp += c2;
    return tmp;
}

std::ostream& operator << (std::ostream& os, const complex& c){
    os << c.toString();
    return os;
}
bool operator  == (const complex& c1, const complex& c2){
    return ((c1.real() == c2.real()) && (c1.imaginary() == c2.imaginary()));
}

complex pow(const complex&, const complex&){
    complex result;
    return result;
}
double abs(const complex& c){
    return c.module();
}

Особенности создания динамических библиотек

В случае разработки динамических библиотек, их создание может происходить аналогично созданию статических библиотек. Особенностью, в данном случае, будет только выбор типа проекта. В этом случае библиотека может использоваться неявно (то есть, через подключение заголовочного файла и указание использования файла импорта библиотеки). Для использования функций библиотеки необходимо явно указать, к каким функциям может получить доступ зависимая от данной библиотеки программа. Для этого используется специальная конструкция языка __declspec(dllexport), указывающая, что функция (класс) доступна для использования. В листинге 3 представлен пример заголовочного файла, в котором описан класс комплексного числа. Этот класс предназначен на экспорт.

Листинг 3. Экспорт классов и функций.

complex_dll.h

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>

#define DLLEXPORT __declspec(dllexport)

class DLLEXPORT complex
{
    double _real, _imaginary;
public:
    complex(const double = 0, const double = 0);
    complex(const complex&);
    ~complex(void);

    complex& operator = (const complex&);
    const double& real() const;
    const double& imaginary() const;
    const std::string toString() const;

    void operator += (const complex&);
};

DLLEXPORT bool operator == (const complex&, const complex&);
DLLEXPORT complex operator + (const complex&, const complex&);
DLLEXPORT std::ostream& operator << (std::ostream&, const complex&);
DLLEXPORT int min(int, int);

Также функции на экспорт можно определить при помощи def-файла (файл определения модуля), что позволяет не использовать конструкцию __declspec(dllexport). Файл определения модуля описывается по следующим правилам:

1. Первая строка файла есть указание имени библиотеки, при помощи инструкции LIBRARY.

2. Вторая секция открывается инструкцией EXPORTS, она указывает, какие части библиотеки идут на экспорт. Каждая следующая строка представляет имя функции и порядковый номер в библиотеке, выделенный символом @.

extmath.h

#ifndef EXTMATH_H
#define EXTMATH_H

size_t gcd (size_t, size_t);
bool is_prime(size_t);
bool is_odd(size_t);

#endif

extmath.cpp

#include "extmath.cpp"

size_t gcd (size_t a, size_t b){
    if(a == 0){
        return b;
    }
    while(b != 0){
        size_t tmp = a % b;
        a = b;
        b = tmp;
    }
    return a;
}
bool is_prime(size_t p){
    size_t i = 2;
    size_t top = p / 2;
    while(i <= top){
        if(p / i == 0){
            return false;
        }
        ++ i;
    }
    return true;
}
bool is_odd(size_t p){
    return (p % 2 == 0);
}

Листинг 4. Пример def-файла

LIBRARY  EXTMATH
EXPORTS
            gcd          @1
            is_prime     @2
            is_odd       @3

Описанный в листингах 2 и 3, класс можно использовать только в С++ проектах. Для создания библиотек, совместимых с языком С, необходимо заголовочные файлы писать в стиле С (без использования классов, шаблонов и др. специфичные для С++ конструкции). Также желательно в макросе DLLEXPORT приписать модификатор extern ”C” – это позволяет, при компиляции библиотеки, сохранить оригинальные имена экспортируемых ресурсов (некоторые компиляторы «кодируют» имена функций и классов).

Использование динамической библиотеки, созданной таким образом, не будет возможно в других, отличных от С/С++, языках программирования. Это связанно с тем, что в языках Pascal, Basic и др. функции читают входные параметры слева направо, тогда как в С/С++ входные параметры читаются справа налево. Для создания совместимой с этой группой языков библиотеки используется модификатор __stdcall (или эквивалент __pascal), который меняет порядок чтения входных параметров функции.

В OS Windows динамические библиотеки могут иметь также точку входа - функцию DllMain:

#include <windows.h>

BOOL APIENTRY DllMain( HMODULE hModule,
                       DWORD  ul_reason_for_call,
                       LPVOID lpReserved
 ){
    switch (ul_reason_for_call){
        case DLL_PROCESS_ATTACH:
        case DLL_THREAD_ATTACH:
        case DLL_THREAD_DETACH:
        case DLL_PROCESS_DETACH:
            break;
    }
    return TRUE;
}

Сборка библиотек

Самый простой способ создания библиотек - выбор соответстувующего проекта в среде программирования. Все современные среды программирования предлагают проекты как статических, так и динамических библиотек.

Разработка статических библиотек ничем не отличается от написания программы, только в статических библиотеках нет функции main.