学懂C++（五十八）：深入详解 C++ COM编程开发技术

COM（Component Object Model，组件对象模型）是微软开发的一种软件架构标准，旨在实现二进制级别的组件重用和跨语言互操作性。本文将深入详解C++ COM编程开发技术，内容包括COM的基本概念、创建和使用COM组件的步骤、接口定义、引用计数管理以及一些高级技术和实际应用。

一、COM的基本概念

1. COM的核心概念

组件（Component）：一个独立的二进制模块，可以被多个应用程序重用。
接口（Interface）：组件对外提供的服务，通过接口进行访问。接口是一个纯虚类，只定义了函数的签名。
类ID（CLSID）：唯一标识一个COM组件的全局唯一标识符（GUID）。
接口ID（IID）：唯一标识一个COM接口的全局唯一标识符（GUID）。
引用计数：管理对象的生命周期，通过AddRef和Release方法进行引用计数。

2. COM的优点

语言无关：支持不同编程语言之间的互操作性。
二进制标准：无需源代码即可使用组件。
版本控制：通过接口的版本控制机制，实现向后兼容。

二、创建COM组件

1. 定义接口

接口是COM组件对外提供的服务，需要定义一个纯虚类，并为其分配一个唯一的接口ID（IID）。

cpp 复制代码

// IMyInterface.h
#pragma once
#include <Unknwn.h> // 包含 IUnknown 的定义

// 定义接口 ID
// {D7D3F3B4-5A06-4D3F-801D-1C1E4A1B4C4A}
DEFINE_GUID(IID_IMyInterface, 
0xd7d3f3b4, 0x5a06, 0x4d3f, 0x80, 0x1d, 0x1c, 0x1e, 0x4a, 0x1b, 0x4c, 0x4a);

// 定义接口
class IMyInterface : public IUnknown {
public:
    // 定义一个纯虚方法
    virtual HRESULT __stdcall MyMethod() = 0;
};

2. 实现接口

实现接口需要实现接口的所有方法，包括继承自IUnknown的AddRef、Release和QueryInterface方法。

cpp 复制代码

// 引入接口定义头文件和原子操作库
#include "IMyInterface.h"
#include <atomic>

// 定义MyComponent类，实现IMyInterface接口
class MyComponent : public IMyInterface {
private:
    // 原子类型的引用计数器，用于管理对象的生命周期
    std::atomic_ulong refCount;

public:
    // 构造函数，初始化引用计数为1
    MyComponent() : refCount(1) {}

    // 实现IUnknown接口的方法
    HRESULT __stdcall QueryInterface(REFIID riid, void** ppv) override {
        // 检查请求的接口ID是否匹配
        if (riid == IID_IUnknown || riid == IID_IMyInterface) {
            // 将当前对象指针赋值给输出参数，并增加引用计数
            *ppv = static_cast<IMyInterface*>(this);
            AddRef();
            return S_OK;
        }
        // 不支持请求的接口时将输出参数设置为nullptr
        *ppv = nullptr;
        return E_NOINTERFACE;
    }

    // 增加引用计数
    ULONG __stdcall AddRef() override {
        return refCount.fetch_add(1) + 1; // 原子操作，线程安全
    }

    // 减少引用计数
    ULONG __stdcall Release() override {
        ULONG count = refCount.fetch_sub(1) - 1; // 原子操作，线程安全
        if (count == 0) {
            delete this; // 引用计数为0时删除对象
        }
        return count;
    }

    // 实现IMyInterface接口的方法
    HRESULT __stdcall MyMethod() override {
        // 打印信息到控制台
        std::cout << "Hello, World from COM Component!" << std::endl;
        return S_OK;
    }
};

代码注释说明

Include部分 ：引入了IMyInterface.h（接口定义）和<atomic>（使用原子操作进行线程安全的引用计数）。

MyComponent类 ：实现IMyInterface接口，并包含引用计数管理的实现。

构造函数 ：初始化refCount为1，表示创建时的初始引用计数。

QueryInterface方法：用于检查对象是否支持请求的接口，并返回相应的指针。

AddRef方法：增加引用计数，每次调用表示新的引用。

Release方法：减少引用计数，当计数为0时自动删除对象。

MyMethod方法：具体实现接口中的方法，输出信息到控制台。

3. 类工厂

类工厂用于创建COM对象实例，类工厂实现了IClassFactory接口。

cpp 复制代码

// 引入IUnknown接口定义和MyComponent实现
#include <Unknwn.h>
#include "MyComponent.cpp"

// 定义MyClassFactory类，实现IClassFactory接口
class MyClassFactory : public IClassFactory {
private:
    // 原子类型的引用计数器，用于管理对象的生命周期
    std::atomic_ulong refCount;

public:
    // 构造函数，初始化引用计数为1
    MyClassFactory() : refCount(1) {}

    // 实现IUnknown接口的方法
    HRESULT __stdcall QueryInterface(REFIID riid, void** ppv) override {
        // 检查请求的接口ID是否匹配
        if (riid == IID_IUnknown || riid == IID_IClassFactory) {
            // 将当前对象指针赋值给输出参数，并增加引用计数
            *ppv = static_cast<IClassFactory*>(this);
            AddRef();
            return S_OK;
        }
        // 不支持请求的接口时将输出参数设置为nullptr
        *ppv = nullptr;
        return E_NOINTERFACE;
    }

    // 增加引用计数
    ULONG __stdcall AddRef() override {
        return refCount.fetch_add(1) + 1; // 原子操作，线程安全
    }

    // 减少引用计数
    ULONG __stdcall Release() override {
        ULONG count = refCount.fetch_sub(1) - 1; // 原子操作，线程安全
        if (count == 0) {
            delete this; // 引用计数为0时删除对象
        }
        return count;
    }

    // 实现IClassFactory接口的方法
    HRESULT __stdcall CreateInstance(IUnknown* pUnkOuter, REFIID riid, void** ppv) override {
        // 检查是否为聚合创建，COM不支持聚合时返回CLASS_E_NOAGGREGATION错误
        if (pUnkOuter != nullptr) {
            return CLASS_E_NOAGGREGATION;
        }

        // 创建MyComponent实例
        MyComponent* component = new (std::nothrow) MyComponent();
        if (component == nullptr) {
            return E_OUTOFMEMORY; // 内存不足时返回E_OUTOFMEMORY错误
        }

        // 查询指定的接口，并返回指针
        HRESULT hr = component->QueryInterface(riid, ppv);
        component->Release(); // 释放临时引用计数
        return hr;
    }

    // 锁定服务器的方法（可选）
    HRESULT __stdcall LockServer(BOOL fLock) override {
        // 根据fLock参数增加或减少服务器锁定计数
        // 在此示例中未实现具体锁定逻辑
        return S_OK;
    }
};

代码注释说明

Include部分 ：引入了<Unknwn.h>（IUnknown接口定义）和"MyComponent.cpp"（MyComponent类实现）。

MyClassFactory类 ：实现了IClassFactory接口，并包含引用计数管理的实现。

构造函数 ：初始化refCount为1，表示创建时的初始引用计数。

QueryInterface方法：用于检查对象是否支持请求的接口，并返回相应的指针。

AddRef方法：增加引用计数，每次调用表示新的引用。

Release方法：减少引用计数，当计数为0时自动删除对象。

CreateInstance方法：用于创建MyComponent实例，检查是否支持聚合，并查询指定的接口。

LockServer方法：用于锁定或解锁服务器（在此示例中未实现具体锁定逻辑）。

4. DLL导出函数

导出DllGetClassObject和DllCanUnloadNow函数，用于类工厂的创建和COM库的管理。

cpp 复制代码

// 引入Windows头文件和MyClassFactory实现
#include <windows.h>
#include "MyClassFactory.cpp"

// 定义组件的类ID（CLSID）
// {E3121713-04C1-4A16-8F2D-43D1C5E6F7C2}
DEFINE_GUID(CLSID_MyComponent, 
0xe3121713, 0x4c1, 0x4a16, 0x8f, 0x2d, 0x43, 0xd1, 0xc5, 0xe6, 0xf7, 0xc2);

// DllGetClassObject函数，用于返回类工厂实例
extern "C" HRESULT __stdcall DllGetClassObject(REFCLSID rclsid, REFIID riid, void** ppv) {
    // 检查请求的类ID是否匹配组件的类ID
    if (rclsid == CLSID_MyComponent) {
        // 创建MyClassFactory实例
        MyClassFactory* factory = new (std::nothrow) MyClassFactory();
        if (factory == nullptr) {
            return E_OUTOFMEMORY; // 内存不足时返回E_OUTOFMEMORY错误
        }
        // 查询指定的接口，并返回指针
        HRESULT hr = factory->QueryInterface(riid, ppv);
        factory->Release(); // 释放临时引用计数
        return hr;
    }
    return CLASS_E_CLASSNOTAVAILABLE; // 类ID不匹配时返回CLASS_E_CLASSNOTAVAILABLE错误
}

// DllCanUnloadNow函数，用于决定DLL是否可以卸载
extern "C" HRESULT __stdcall DllCanUnloadNow() {
    // 这里可以根据组件的引用计数决定是否可以卸载
    // 在此示例中直接返回S_OK表示可以卸载
    return S_OK;
}

代码注释说明

Include部分 ：引入了<windows.h>（Windows API头文件）和"MyClassFactory.cpp"（MyClassFactory类实现）。

CLSID_MyComponent：定义组件的类ID（CLSID），用于标识COM组件。

DllGetClassObject函数 ：用于返回类工厂实例，当客户端请求创建组件实例时调用此函数。

参数：

REFCLSID rclsid：请求的类ID。

REFIID riid：请求的接口ID。

void** ppv：输出指针，指向请求的接口。

逻辑：

检查请求的类ID是否与组件的类ID匹配。

创建MyClassFactory实例并查询指定的接口。

如果内存不足，返回E_OUTOFMEMORY错误。

释放临时引用计数。

返回相应的错误码或成功码。

DllCanUnloadNow函数 ：用于决定DLL是否可以卸载，当客户端请求卸载DLL时调用此函数。

该函数可以根据组件的引用计数或其他条件决定是否允许卸载DLL。

在此示例中，直接返回S_OK表示可以卸载DLL。

这些函数是实现COM DLL的必要部分，允许客户端通过类工厂创建组件实例，并在适当时候卸载DLL。

三、使用COM组件

1. 初始化COM库

在使用COM组件之前，需要初始化COM库。

cpp 复制代码

// Main.cpp
#include <iostream>
#include <windows.h>
#include "IMyInterface.h"

int main() {
    // 初始化COM库
    HRESULT hr = CoInitialize(nullptr);
    if (FAILED(hr)) {
        std::cerr << "Failed to initialize COM library" << std::endl;
        return 1;
    }

    // 使用COM组件
    IMyInterface* pMyInterface = nullptr;
    hr = CoCreateInstance(CLSID_MyComponent, nullptr, CLSCTX_INPROC_SERVER, IID_IMyInterface, (void**)&pMyInterface);
    if (SUCCEEDED(hr)) {
        pMyInterface->MyMethod();
        pMyInterface->Release();
    } else {
        std::cerr << "Failed to create COM instance" << std::endl;
    }

    // 释放COM库
    CoUninitialize();
    return 0;
}

2. 注册COM组件

需要将DLL注册到系统中，以便使用CoCreateInstance创建对象。可以使用regsvr32工具进行注册。

cpp 复制代码

regsvr32 MyComponent.dll

四、引用计数管理

COM组件使用引用计数管理对象的生命周期。每个对象初始引用计数为1，当调用AddRef时计数递增，调用Release时计数递减，当计数为0时删除对象。

1. AddRef和Release方法

AddRef：递增引用计数，每次返回递增后的计数。

Release ：递减引用计数，计数为0时删除对象，每次返回递减后的计数。

cpp 复制代码

ULONG __stdcall AddRef() override {
    return refCount.fetch_add(1) + 1;
}

ULONG __stdcall Release() override {
    ULONG count = refCount.fetch_sub(1) - 1;
    if (count == 0) {
        delete this;
    }
    return count;
}

五、高级COM编程技术

1. 接口继承

COM接口支持继承，可以定义多个接口，子接口继承父接口的方法。

cpp 复制代码

// IMyDerivedInterface.h
#pragma once
#include "IMyInterface.h"

// 定义子接口 ID
// {A8B1C2E6-BE45-4E8A-A8E3-6B7DD9B8D6B9}
DEFINE_GUID(IID_IMyDerivedInterface, 
0xa8b1c2e6, 0xbe45, 0x4e8a, 0xa8, 0xe3, 0x6b, 0x7d, 0xd9, 0xb8, 0xd6, 0xb9);

class IMyDerivedInterface : public IMyInterface {
public:
    virtual HRESULT __stdcall MyDerivedMethod() = 0;
};

2. 自定义类工厂

可以自定义类工厂，实现更多功能，如对象池、对象缓存等。

3. 线程模型

COM支持不同的线程模型，如单线程公寓（STA）和多线程公寓（MTA）。需要根据实际需求选择合适的线程模型，并在初始化COM库时指定。

cpp 复制代码

HRESULT hr = CoInitializeEx(nullptr, COINIT_MULTITHREADED);

六、实际应用

COM技术广泛应用于Windows操作系统的各个方面，如OLE、ActiveX、DirectX等。通过COM组件，可以实现跨语言、跨平台的组件重用，提高软件开发的效率和质量。

1. ActiveX控件

ActiveX控件是基于COM的技术，用于在网页和应用程序中嵌入互动控件。

2. OLE（对象链接与嵌入）

OLE允许不同应用程序之间共享数据和功能，比如在Word文档中嵌入Excel表格。

3. 自动化（Automation）

COM自动化允许应用程序通过脚本语言（如VBScript、JavaScript）控制其他应用程序。

七、总结

C++ COM编程是一项复杂但强大的技术，通过COM可以实现不同编程语言之间的互操作性和组件重用。本文详细介绍了COM的基本概念、创建和使用COM组件的步骤、接口定义、引用计数管理、以及一些高级技术和实际应用。希望这些内容能帮助读者更好地理解和掌握C++ COM编程技术。

通过掌握这些技术，你可以创建高度可重用的组件，提高软件开发效率，增强应用程序的互操作性和可维护性。