C++ 工程实践(4)：二进制兼容性

陈硕 (giantchen_AT_gmail)

Blog.csdn.net/Solstice

本文主要讨论 Linux x86/x86-64 平台，偶尔会举 Windows 作为反面教材。

C/C++ 的二进制兼容性 (binary compatibility) 有多重含义，本文主要在“头文件和库文件分别升级，可执行文件是否受影响”这个意义下讨论，我称之为 library （主要是 shared library，即动态链接库）的 ABI (application binary inte易做图ce)。至于编译器与操作系统的 ABI 留给下一篇谈 C++ 标准与实践的文章。

什么是二进制兼容性
在解释这个定义之前，先看看 Unix/C 语言的一个历史问题：open() 的 flags 参数的取值。open(2) 函数的原型是

int open(const char *pathname, int flags);

其中 flags 的取值有三个： O_RDONLY, O_WRONLY, O_RDWR。

与一般人的直觉相反，这几个值不是按位或 (bitwise-OR) 的关系，即 O_RDONLY | O_WRONLY != O_RDWR。如果你想以读写方式打开文件，必须用 O_RDWR，而不能用 (O_RDONLY | O_WRONLY)。为什么？因为 O_RDONLY, O_WRONLY, O_RDWR 的值分别是 0, 1, 2。它们不满足按位或。

那么为什么 C 语言从诞生到现在一直没有纠正这个不足之处？比方说把 O_RDONLY, O_WRONLY, O_RDWR 分别定义为 1, 2, 3，这样 O_RDONLY | O_WRONLY == O_RDWR，符合直觉。而且这三个值都是宏定义，也不需要修改现有的源代码，只需要改改系统的头文件就行了。

因为这么做会破坏二进制兼容性。对于已经编译好的可执行文件，它调用 open(2) 的参数是写死的，更改头文件并不能影响已经编译好的可执行文件。比方说这个可执行文件会调用 open(path, 1) 来写文件，而在新规定中，这表示读文件，程序就错乱了。

以上这个例子说明，如果以 shared library 方式提供函数库，那么头文件和库文件不能轻易修改，否则容易破坏已有的二进制可执行文件，或者其他用到这个 shared library 的 library。操作系统的 system call 可以看成 Kernel 与 User space 的 inte易做图ce，kernel 在这个意义下也可以当成 shared library，你可以把内核从 2.6.30 升级到 2.6.35，而不需要重新编译所有用户态的程序。

所谓“二进制兼容性”指的就是在升级（也可能是 bug fix）库文件的时候，不必重新编译使用这个库的可执行文件或使用这个库的其他库文件，程序的功能不被破坏。

见 QT FAQ 的有关条款：http://developer.qt.nokia.com/faq/answer/you_frequently_say_that_you_cannot_add_this_or_that_feature_because_it_woul

在 Windows 下有恶名叫 DLL Hell，比如 MFC 有一堆 DLL，mfc40.dll, mfc42.dll, mfc71.dll, mfc80.dll, mfc90.dll，这是动态链接库的本质问题，怪不到 MFC 头上。

有哪些情况会破坏库的 ABI
到底如何判断一个改动是不是二进制兼容呢？这跟 C++ 的实现方式直接相关，虽然 C++ 标准没有规定 C++ 的 ABI，但是几乎所有主流平台都有明文或事实上的 ABI 标准。比方说 ARM 有 EABI，Intel Itanium 有 http://www.codesourcery.com/public/cxx-abi/abi.html，x86-64 有仿 Itanium 的 ABI，SPARC 和 MIPS 也都有明文规定的 ABI，等等。x86 是个例外，它只有事实上的 ABI，比如 Windows 就是 Visual C++，Linux 是 G++（G++ 的 ABI 还有多个版本，目前最新的是 G++ 3.4 的版本），Intel 的 C++ 编译器也得按照 Visual C++ 或 G++ 的 ABI 来生成代码，否则就不能与系统其它部件兼容。

C++ ABI 的主要内容：

函数参数传递的方式，比如 x86-64 用寄存器来传函数的前 4 个整数参数
虚函数的调用方式，通常是 vptr/vtbl 然后用 vtbl[offset] 来调用
struct 和 class 的内存布局，通过偏移量来访问数据成员
name mangling
RTTI 和异常处理的实现（以下本文不考虑异常处理）
C/C++ 通过头文件暴露出动态库的使用方法，这个“使用方法”主要是给编译器看的，编译器会据此生成二进制代码，然后在运行的时候通过装载器(loader)把可执行文件和动态库绑到一起。如何判断一个改动是不是二进制兼容，主要就是看头文件暴露的这份“使用说明”能否与新版本的动态库的实际使用方法兼容。因为新的库必然有新的头文件，但是现有的二进制可执行文件还是按旧的头文件来调用动态库。

这里举一些源代码兼容但是二进制代码不兼容例子

给函数增加默认参数，现有的可执行文件无法传这个额外的参数。
增加虚函数，会造成 vtbl 里的排列变化。（不要考虑“只在末尾增加”这种取巧行为，因为你的 class 可能已被继承。）
增加默认模板类型参数，比方说 Foo 改为 Foo >，这会改变 name mangling
改变 enum 的值，把 enum Color { Red = 3 }; 改为 Red = 4。这会造成错位。当然，由于 enum 自动排列取值，添加 enum 项也是不安全的，除非是在末尾添加。
给 class Bar 增加数据成员，造成 sizeof(Bar) 变大，以及内部数据成员的 offset 变化，这是不是安全的？通常不是安全的，但也有例外。

如果客户代码里有 new Bar，那么肯定不安全，因为 new 的字节数不够装下新 Bar。相反，如果 library 通过 factory 返回 Bar* （并通过 factory 来销毁对象）或者直接返回 shared_ptr，客户端不需要用到 sizeof(Bar)，那么可能是安全的。
如果客户代码里有 Bar* pBar; pBar->memberA = xx;，那么肯定不安全，因为 memberA 的新 Bar 的偏移可能会变。相反，如果只通过成员函数来访问对象的数据成员，客户端不需要用到 data member 的 offsets，那么可能是安全的。
如果客户调用 pBar->setMemberA(xx); 而 Bar::setMemberA() 是个 inline function，那么肯定不安全，因为偏移量已经被 inline 到客户的二进制代码里了。如果 setMemberA() 是 outline function，其实现位于 shared library 中，会随着 Bar 的更新而更新，那么可能是安全的。
那么只使用 header-only 的库文件是不是安全呢？不一定。如果你的程序用了 boost 1.36.0，而你依赖的某个 library 在编译的时候用的是 1.33.1，那么你的程序和这个 library 就不能正常工作。因为 1.36.0 和 1.33.1 的 boost::function 的模板参数类型的个数不一样，其中一个多了 allocator。

这里有一份黑名单，列在这里的肯定是二级制不兼容，没有列出的也可能二进制不兼容，见 KDE 的文档：http://techbase.kde.org/Policies/Binary_Compatibility_Issues_With_C%2B%2B

哪些做法多半是安全的
前面我说“不能轻易修改”，暗示有些改动多半是安全的，这里有一份白名单，欢迎添加更多内容。

只要库改动不影响现有的可执行文件的二进制代码的正确性，那么就是安全的，我们可以先部署新的库，让现有的二进制程序受益。

增加新的 class
增加 non-virtual 成员函数
修改数据成员的名称，因为生产的二进制代码是按偏移量来访问的，当然，这会造成源码级的不兼容。
还有很多，不一一列举了。
欢迎补充

反面教材：COM
在 C++ 中以虚函数作为接口基本上就跟二进制兼容性说拜拜了。具体地说，以只包含虚函数的 class （称为 inte易做图ce class）作为程序库的接口，这样的接口是僵硬的，一旦发布，无法修改。

比方说 M$ 的 COM，其 DirectX 和 MSXML 都以 COM 组件方式发布，我们来看看它的带版本接口 (versioned inte易做图ces)：

IDirect3D7, IDirect3D8, IDirect3D9, ID3D10*, ID3D11*
IXMLDOMDocument, IXMLDOMDocument2, IXMLDOMDocument3
话句话说，每次发布新版本都引入新的 inte易做图ce class，而不是在现有的 inte易做图ce 上做扩充。这样一样不能兼容现有的代码，易做图客户端代码也要改写。

回过头来看看 C 语言，C/Posix 这些年逐渐加入了很多新函数，同时，现有的代码不用修改也能运行得很好。如果要用这些新函数，直接用就行了，也基本不会修改已有的代码。相反，COM 里边要想用 IXMLDOMDocument3 的功能，就得把现有的代码从 IXMLDOMDocument 全部升级到 IXMLDOMDocument3，很讽刺吧。

tip：如果遇到鼓吹在 C++ 里使用面向接口编程的人，可以拿二进制兼容性考考他。

解决办法
采用静态链接
这个是王道。在分布式系统这，采用静态链接也带来部署上的好处，只要把可执行文件放到机器上就行运行，不用考虑它依赖的 libraries。目前 muduo 就是采用静态链接。

通过动态库的版本管理来控制兼容性
这需要非常小心检查每次改动的二进制兼容性并做好发布计划，比如 1.0.x 系列做到二进制兼容，1.1.x 系列做到二进制兼容，而 1.0.x 和 1.1.x 二进制不兼容。《程序员的自我修养》里边讲过 .so 文件的命名与二进制兼容性相关的话题，值得一读。

用 pimpl 技法，编译器防火墙
在头文件中只暴露 non-virtual 接口，并且 class 的大小固定为 sizeof(Impl*)，这样可以随意更新库文件而不影响可执行文件。当然，这么做有多了一道间接性，可能有一定的性能损失。见 Exceptional C++ 有关条款和 C++ Coding Standards 101.

Java 是如何应对的
Java 实际上把 C/C++ 的 linking 这一步骤推迟到 class loading 的时候来做。就不存在“不能增加虚函数”，“不能修改 data member” 等问题。在 Java 里边用面向 inte易做图ce 编程远比 C++ 更通用和自然，也没有上面提到的“僵硬的接口”问题。

补充：软件开发 , C++ ,