利用動態(tài)庫技術(shù)進(jìn)行通信協(xié)議模塊化設(shè)計

劉永慶等

摘要：該文針對利用動態(tài)庫技術(shù)進(jìn)行通信協(xié)議模塊化設(shè)計進(jìn)行研究，首先簡要地介紹了動態(tài)庫基本理論，然后給通信協(xié)議動態(tài)庫設(shè)計方法和設(shè)計要點(diǎn)，最后給出了基于UDP的通信協(xié)議動態(tài)庫開發(fā)實(shí)例。

關(guān)鍵詞：動態(tài)庫

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）09-0058-03

在設(shè)計通信程序時，在其程序的實(shí)現(xiàn)形式上主要分為可執(zhí)行應(yīng)用程序和動態(tài)鏈接庫。前者能夠獨(dú)立運(yùn)行，通常針對某一特定需求而使用，功能完備但可移植性不強(qiáng)；后者不能獨(dú)立運(yùn)行，只是以庫的形式提供相關(guān)功能的函數(shù)、類及其他數(shù)據(jù)，動態(tài)庫可以為某一特定需求而定制。

利用動態(tài)庫技術(shù)進(jìn)行通信協(xié)議設(shè)計，按照從核心到外圍的層次關(guān)系進(jìn)行模塊化組合設(shè)計，各模塊動態(tài)加載，可擴(kuò)展，獨(dú)立編譯，軟件系統(tǒng)層次明確、內(nèi)外松散耦合，便于功能組合和升級改造，提升軟件質(zhì)量。

1 動態(tài)庫基本理論

1.1動態(tài)庫分類

VC支持三種DLL，它們是：

1）Non-MFC DLL：指的是不用MFC的類庫結(jié)構(gòu)，直接用C語言寫的DLL，其輸出函數(shù)一般用的是標(biāo)準(zhǔn)C接口，并能被非MFC或MFC編寫的應(yīng)用程序所調(diào)用。

2）Regular DLL：和下述Extension DLL一樣，是用MFC類庫編寫的，能夠被所有支持DLL技術(shù)的語言所編寫的應(yīng)用程序調(diào)用。在這種動態(tài)鏈接庫中，它必需有一個從CWinAPP繼承下來的類，DLLMain函數(shù)被MFC提供，不用自己顯式的寫出來。

3）Extension DLL：只被用MFC類庫所編寫的應(yīng)用程序所調(diào)用。在這種動態(tài)鏈接庫中，用戶可以從MFC繼承想要的、更適于自己用的類，并把它提供給自己的應(yīng)用程序。與Regular DLL不一樣，它沒有一個從CWinAPP繼承下來的類的對象，用戶必需為自己的DLLMain函數(shù)添加初始化代碼和結(jié)束代碼。

1.2 DLL調(diào)用方法

DLL的創(chuàng)建是供可執(zhí)行應(yīng)用程序調(diào)用的。使用了外部DLL的應(yīng)用程序的創(chuàng)建與普通應(yīng)用程序的創(chuàng)建完全一樣。在此基礎(chǔ)上可以對外部DLL進(jìn)行顯式或隱式調(diào)用。對DLL的調(diào)用分為兩種，一種是顯式的調(diào)用，一種是隱式的調(diào)用。所謂顯示的調(diào)用，是指在應(yīng)用程序中用LoadLibrary或MFC提供的AfxLoadLibrary顯示地將自己所做的動態(tài)庫調(diào)進(jìn)來，動態(tài)鏈接庫的文件名即是上面函數(shù)的參數(shù)，再用GetProcAddress獲取想要引入的函數(shù)。自此，就可以像使用應(yīng)用程序自定義的函數(shù)一樣來調(diào)用此引入函數(shù)了。在應(yīng)用程序退出之前，應(yīng)該用FreeLibrary或MFC提供的AfxFreeLibrary釋放動態(tài)鏈接庫。

隱式的調(diào)用則需要把產(chǎn)生動態(tài)鏈接庫時產(chǎn)生的.LIB文件加入到應(yīng)用程序的工程中，想使用DLL中的函數(shù)時，只需聲明一下即可，而無需調(diào)用LoadLibrary和FreeLibrary對DLL進(jìn)行顯示加載、卸載。

隱式調(diào)用的方法比較簡單，但隱式調(diào)用的DLL在應(yīng)用程序加載的同時被加載到內(nèi)存中，當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用的DLL比較多時，裝入的過程十分緩慢。通過延遲加載技術(shù)可以很好地解決該問題。但除了必須的.dll文件外還需要DLL的.h文件和.lib文件。這在那些只提供.dll文件的場合就無法使用了，而只能采用顯式調(diào)用方式。

1.3 輸入函數(shù)和輸出函數(shù)

模塊是Windows的基本構(gòu)成單元，主要由應(yīng)用程序模塊和DLL模塊組成。這兩類模塊的結(jié)構(gòu)是一樣的，都可以“輸出”（export）函數(shù)供其他模塊使用，也可以“輸入”（import）其他模塊的函數(shù)。輸入一個函數(shù)就是在代碼中創(chuàng)建指向該函數(shù)的動態(tài)鏈接，而非像在靜態(tài)鏈接中那樣實(shí)際裝配該函數(shù)的代碼。與DLL不同，由應(yīng)用程序模塊輸出的函數(shù)是無法為其他應(yīng)用程序模塊所輸入的。

MFC提供的用于輸出的函數(shù)的關(guān)鍵字是__declspec和dllexport。在要輸出的函數(shù)、類或數(shù)據(jù)的聲明前使用__declspec（dllexport）表示輸出。若要輸出動態(tài)庫中的函數(shù)mimafuwu（HWND hWnd）供應(yīng)用程序輸入使用則在動態(tài)庫中聲明該函數(shù)如下：

#define REGULARMFCDLLLIB __declspec（dllexport）

extern "C" REGULARMFCDLLLIB unsigned short mimafuwu（HWND hWnd）；

在應(yīng)用程序輸入聲明如下，_cdecl為調(diào)用約定：

unsigned short （_cdecl *Func）（HWND）；

2 通信協(xié)議動態(tài)庫設(shè)計

2.1 動態(tài)庫結(jié)構(gòu)

通信協(xié)議動態(tài)庫一般只包含一個輸出函數(shù)和由該輸出函數(shù)創(chuàng)建的三個UI線程（用戶界面線程）即主控線程、數(shù)據(jù)接收線程和數(shù)據(jù)發(fā)送線程組成。三個線程分別對應(yīng)三個模塊：DLL主控模塊，DLL數(shù)據(jù)接收模塊和DLL數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。DLL主控模塊負(fù)責(zé)與調(diào)用DLL的應(yīng)用程序及DLL數(shù)據(jù)收發(fā)模塊交互數(shù)據(jù)和消息，同時負(fù)責(zé)按接口協(xié)議進(jìn)行解析、分包、組包、超時重傳等數(shù)據(jù)處理操作，DLL數(shù)據(jù)收發(fā)模塊負(fù)責(zé)與外部通信端進(jìn)行物理層接口（如網(wǎng)口、串口等）的數(shù)據(jù)收發(fā)，DLL數(shù)據(jù)收發(fā)模塊相互獨(dú)立不涉及信息交互。通信協(xié)議動態(tài)庫結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

2.2 動態(tài)庫接口及協(xié)議

通信協(xié)議動態(tài)庫接口設(shè)計為內(nèi)部接口和外部接口。如圖2所示，內(nèi)部接口為動態(tài)庫內(nèi)部模塊之間的接口，外部接口有兩種，分為動態(tài)庫與調(diào)用其的應(yīng)用程序之間的接口和動態(tài)庫與外部通信端之間的接口。

2.2.1內(nèi)部接口及協(xié)議

動態(tài)庫內(nèi)部接口為DLL主控模塊與DLL數(shù)據(jù)發(fā)送模塊之間和DLL主控模塊與DLL數(shù)據(jù)接收模塊之間的接口。內(nèi)部模塊之間主要通過自定義消息方式構(gòu)造協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.2.2外部接口及協(xié)議

2.2.2.1 動態(tài)庫和調(diào)用DLL的應(yīng)用程序之間接口及協(xié)議

動態(tài)庫和調(diào)用DLL的應(yīng)用程序之間接口為DLL輸出函數(shù)。兩者之間主要通過自定義消息方式構(gòu)造協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.2.2.2 動態(tài)庫和外部通信端之間接口及協(xié)議

動態(tài)庫和外部通信端之間的接口主要為以太網(wǎng)口和串口、并口等通信端口等。使用的接口協(xié)議主要有：基于TCP的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、基于UDP的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和基于串口/并口的端口通信協(xié)議等。

2.3 動態(tài)庫信息處理流程

調(diào)用DLL的A端應(yīng)用程序擬制一份數(shù)據(jù)按動態(tài)庫和調(diào)用DLL的應(yīng)用程序之間接口協(xié)議將其提交DLL主控模塊，DLL主控模塊按動態(tài)庫和外部通信端之間接口協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后再按內(nèi)部接口協(xié)議將數(shù)據(jù)提交DLL發(fā)送模塊，DLL發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到B端。DLL接收模塊接收B端數(shù)據(jù)后按內(nèi)部接口協(xié)議將其提交DLL主控模塊，DLL主控模塊按動態(tài)庫和外部通信端之間接口協(xié)議收齊數(shù)據(jù)后，再按動態(tài)庫和調(diào)用DLL的應(yīng)用程序之間接口協(xié)議將數(shù)據(jù)提交A端應(yīng)用程序。即：

1）A端調(diào)用DLL的應(yīng)用程序->DDL主控模塊->DLL發(fā)送模塊- >B端

2）B端 - >DLL接收模塊->DLL主控模塊->A端調(diào)用DLL的應(yīng)用程序

3 通信協(xié)議動態(tài)庫設(shè)計要點(diǎn)

3.1動態(tài)庫中的輸出函數(shù)

應(yīng)用程序一啟動就應(yīng)加載動態(tài)庫，調(diào)用動態(tài)庫輸出函數(shù)。動態(tài)庫中一般只有一個輸出函數(shù)，該函數(shù)只負(fù)責(zé)創(chuàng)建UI線程。輸出函數(shù)參數(shù)須包含應(yīng)用程序某窗口句柄，一般為主框架窗口句柄，同時輸出函數(shù)將必要的變量信息如動態(tài)庫創(chuàng)建的某個線程的線程號回傳至應(yīng)用程序。通過窗口句柄和線程號作為參數(shù)，以便于應(yīng)用程序和動態(tài)庫之間以自定義消息的方式進(jìn)行通信。

3.2動態(tài)庫中的超時時鐘設(shè)置

動態(tài)庫中超時時鐘的設(shè)置與應(yīng)用程序有別，不能使用ON_WM_TIMER（）消息機(jī)制，需采用自定義消息方式。具體方法如下。

自定義超時消息：

ON_MESSAGE（WM_TIMER， OnTimer）

設(shè)置超時時鐘：

UNIT m_iTimer=：：SetTimer（0，0，3000，NULL）；//3000表示定時3秒

超時消息處理函數(shù)：

void OnTimer（WPARAM wparam，LPARAM lparam）

{

UINT nIDEvent =（UINT）wparam；

if（nIDEvent==m_iTimer）

{

//超時處理

}

}

關(guān)閉超時時鐘：

KillTimer（0，m_iTimer）；

3.3動態(tài)庫與調(diào)用DLL的應(yīng)用程序之間的消息傳遞

如前所述，動態(tài)庫與調(diào)用DLL的應(yīng)用程序之間消息傳遞時首先需要知道應(yīng)用程序窗口句柄和動態(tài)庫某線程的線程號，使用的MFC消息函數(shù)如下。

動態(tài)庫往應(yīng)用程序發(fā)消息：

：：PostMessage（

ApphWnd，

WM_DLL_TO_APP_MSG，

WPARAM wparam，

LPARAM lparam）；

其中，參數(shù)ApphWnd為應(yīng)用程序主框架窗口句柄，WM_DLL_TO_APP_MSG為自定義消息標(biāo)識，wparam為消息中攜帶的參數(shù)一（如數(shù)據(jù)指針等），lparam為消息中攜帶的參數(shù)二（如數(shù)據(jù)長度等）。

應(yīng)用程序往動態(tài)庫發(fā)消息：

PostThreadMessage（

m_Threadid，

WM_APP_TO_DLL_MSG，

WPARAM wparam，

LPARAM lparam）；

其中，參數(shù)m_Threadid為動態(tài)庫中某個線程的線程號，應(yīng)用程序?qū)⑾l(fā)往該線程，WM_APP_TO_DLL_MSG為自定義的消息標(biāo)識，wparam為消息中攜帶的參數(shù)一（如數(shù)據(jù)指針等），lparam為消息中攜帶的參數(shù)二（如數(shù)據(jù)長度等）。

3.4 通信參數(shù)的設(shè)置和使用

動態(tài)庫對通信參數(shù)（諸如IP地址、端口號、串口配置，動態(tài)庫路徑、分包長度、固定包頭、超時時鐘值和重傳次數(shù)等）的設(shè)置和使用一般有兩種方式。一種為，讀取第三方軟件形成的通信參數(shù)配置文件的方式。另一種為，應(yīng)用程序調(diào)用輸出函數(shù)時將通信參數(shù)傳遞給動態(tài)庫，動態(tài)庫再進(jìn)行通信參數(shù)的設(shè)置和使用。兩種方式以前者為優(yōu)。

4 基于UDP的通信協(xié)議動態(tài)庫開發(fā)實(shí)例

結(jié)合第3節(jié)和第4節(jié)內(nèi)容，本節(jié)以創(chuàng)建Regular DLL和顯式調(diào)用DLL為例，設(shè)計一個基于UDP的通信協(xié)議動態(tài)庫。為了使用該動態(tài)庫，首先創(chuàng)建一個調(diào)用該DLL的簡單應(yīng)用程序。

第一步：創(chuàng)建應(yīng)用程序

啟動VC++，單擊[File]->[New]菜單項，在project頁中選擇MFC AppWizard（exe），新建一個名為MyApp的基于單文檔界面的工程。

第二步：創(chuàng)建DLL

1）啟動VC++，單擊[File]->[New]菜單項，在project頁中選擇MFC AppWizard（dll），新建一個名為MyLib的工程，在第一步的時候選擇，創(chuàng)建一個動態(tài)鏈接MFC的規(guī)則DLL。

2）構(gòu)造輸出函數(shù)mimafuwu（）：

① 在MyLib工程中填加空白源文件mimafuwu.cpp和mimafuwu.h；

② 在mimafuwu.cpp文件中輸入如下代碼：

#include "StdAfx.h"

#include "mimafuwu.h"

//輸出函數(shù)根據(jù)具體應(yīng)用而定制。

extern "C" REGULARMFCDLLLIB unsigned short mimafuwu（HWND hWnd）

{

AfxMessageBox（"裝載DLL模塊成功！"）；

return 0；

}

③ 在mimafuwu.h文件中輸入如下代碼：

#define REGULARMFCDLLLIB __declspec（dllexport）

//輸出函數(shù)聲明，輸出函數(shù)根據(jù)具體應(yīng)用而定制。

extern "C" REGULARMFCDLLLIB unsigned short mimafuwu（HWND hWnd）；

3）編譯后會生成庫文件MyLib.dll。

第三步：應(yīng)用程序加載和使用DLL

1）在創(chuàng)建的MyApp工程的MainFrm.cpp文件的函數(shù)

CMainFrame：：OnCreate（LPCREATESTRUCT lpCreateStruct）

return語句前添加如下代碼，完成對MyLib.dll的動態(tài)鏈接，并完成對輸出函數(shù)mimafuwu（）的調(diào)用：

//選擇好MyLib.dll文件路徑，裝載DLL模塊

HINSTANCE hDLL = ：：LoadLibrary（"MyLib.dll"）；

//輸入函數(shù)聲明

unsigned short （_cdecl *Func）（HWND）；

// 獲取函數(shù)指針

Func = （unsigned short（_cdecl *）（HWND））：：GetProcAddress（hDLL， "mimafuwu"）；

//調(diào)用DLL中的函數(shù)mimafuwu（HWND）

//同時將應(yīng)用程序主框架窗口句柄傳至動態(tài)庫

unsigned short nResult = Func（GetSafeHwnd（））；

在上述代碼中，首先由LoadLibrary（）將DLL模塊映射到進(jìn)程的內(nèi)存空間，對DLL模塊進(jìn)行動態(tài)加載。其函數(shù)原型為：

LoadLibrary（LPCTSTR lpLibFileName）；

其中，參數(shù)lpLibFileName為待加載的模塊名，如不特殊指定擴(kuò)展名，Windows將指定默認(rèn)的擴(kuò)展名為“.dll”。如果成功加載則返回HINSTANCE值，標(biāo)識了文件映像映射到進(jìn)程地址空間的虛擬內(nèi)存地址；如果加載失敗則返回NULL，可通過GetLastError（）了解進(jìn)一步的信息。

接下來的GetProcAddress（）函數(shù)將在DLL模塊中找到要輸入符號的地址。其函數(shù)原型為：

FARPROC GetProcAddress（ HMODULE hModule， LPCSTR lpProcName）；

其中，參數(shù)hModule為通過LoadLibrary（）等函數(shù)而得到的DLL模塊句柄，lpProcName為要查找的輸入符號名。GetProcAddress（）在成功調(diào)用后將返回DLL的輸出符號地址，否則返回空指針NULL。通過其返回得到的內(nèi)存地址即可完成對輸出函數(shù)的調(diào)用。

當(dāng)進(jìn)程中的線程不再需要DLL中的輸出符號時，可以通過AfxFreeLibrary（）函數(shù)從進(jìn)程的地址空間顯式卸載DLL。其函數(shù)原型如下：

BOOL FreeLibrary（HMODULE hLibModule）；

其中參數(shù)hLibModule標(biāo)識了要卸載的DLL模塊。

2） 編譯后會生成可執(zhí)行文件MyApp.exe，確保文件MyLib.dll路徑正確。運(yùn)行后若彈出提示框，則應(yīng)用程序加載和使用DLL成功。

第四步：根據(jù)具體應(yīng)用定制應(yīng)用程序和DLL

在前面生成的MyApp和MyLib工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。應(yīng)用程序一啟動就加載一個開了三個UI線程（用戶界面線程）即數(shù)據(jù)接收線程、數(shù)據(jù)發(fā)送線程和主控線程的動態(tài)庫，應(yīng)用程序與動態(tài)庫主控線程、動態(tài)庫收發(fā)線程與主控線程之間通過自定義消息方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在動態(tài)庫庫數(shù)據(jù)接收線程中創(chuàng)建UDP套接字，通過將IP地址設(shè)置為127.0.0.l實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)的自發(fā)自收。

整個信息流程為：應(yīng)用程序擬制一份數(shù)據(jù)提交動態(tài)庫主控線程，動態(tài)庫主控線程將收到到的數(shù)據(jù)提交動態(tài)庫發(fā)送線程發(fā)送，動態(tài)庫接收線程收到數(shù)據(jù)后提交動態(tài)庫主控線程，動態(tài)庫主控線程將數(shù)據(jù)提交應(yīng)用程序，即：應(yīng)用程序->DLL主控->DLL發(fā)送- >DLL接收->DLL主控->應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)在各提交過程中不做任何處理，應(yīng)用程序發(fā)出的數(shù)據(jù)和收到的數(shù)據(jù)內(nèi)容一致。

5 結(jié)束語

編寫通信協(xié)議動態(tài)鏈接庫DLL設(shè)計說明，目的是作為規(guī)范和指導(dǎo)DLL形式的通信協(xié)議程序模塊設(shè)計工作的技術(shù)文件。同時對DLL基本程序設(shè)計、實(shí)現(xiàn)DLL功能擴(kuò)展和對第三方提供的DLL功能模塊調(diào)用等提供編程基礎(chǔ)。利用動態(tài)庫技術(shù)，遵循從核心到外圍的層次關(guān)系進(jìn)行模塊化組合設(shè)計理念，使軟件系統(tǒng)層次明確，各模塊松散耦合、獨(dú)立開發(fā)、獨(dú)立驗證、獨(dú)立升級改造，便于整個軟件系統(tǒng)維護(hù)與功能擴(kuò)展，提升軟件質(zhì)量。

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