使用Qt如何编写模块化插件式应用程序

本文介绍的是，对于插件式应用程序的讲解，也很详细，我们废话不多说，先看内容。动态链接库技术使软件工程师们兽血沸腾，它使得应用系统（程序）可以以二进制模块的形式灵活地组建起来。比起源码级别的模块化，二进制级别的模块划分使得各模块更加独立，各模块可以分别编译和链接，模块的升级不会引起其它模块和主程序的重新编译，这点对于大系统的构建来说更加实用。另一方面，对于商业目的明显的企业，各模块可以独立设置访问权限，开发成员只能访问自己负责的模块，其它模块是不能也不给看到的，这样减少了整个系统泄漏技术的风险。一、动态链接库技术概况动态链接库技术用得很多。事实上，整个Windows就是由一个个动态链接库（DLL）构建起来的，不管是系统内核，或是系统调用的API封装，还是通用工具（如控制面板、ActiveX插件等），都是一个个动态链接库文件。动态链接库并不是微软独有的技术，它是软件工程发展到一定阶段的必然产物。在类Unix系统中，这种二进制可执行模块技术不叫动态链接库，而被称为共享对象或共享库，后缀名一般为.so（即Share Object的简写）。为简便，下文将统称这种动态链接的技术为DLL或共享库。其实，DLL文件跟普通的可执行文件差别不大，都是可执行文件嘛，装载到进程空间后，都是一些机器指令（函数代码）、内存分配（变量）等。在Windows中，这些可执行文件被称作PE/COFF格式文件，在Linux则称为ELF文件。从CPU的角度看来，程序中的各个要素，不管是函数还是变量，它们都是一个个地址，函数是入口地址，变量是访问地址；而C++的所谓类或对象，最后也被编译器肢解成了一个个变量和函数代码（这里是形象的说法，严谨技术解说请搜索C++对象模型）。DLL的装载（指导入进程空间，然后执行）方式比可执行文件的装载稍微复杂，因为它把模块链接过程推迟到了运行时。在动态链接库的装载过程中，首要任务就是解决地址重定向问题。我们知道，DLL装载到进程空间的位置（基址）是不确定的（动态装载嘛），即使DLL内部使用的函数调用和全局变量引用，在装载时都要重新计算其地址。Windows采用基址重定向（Rebasing）技术解决这一问题，而Linux采用地址无关代码（PIC，通过GOT和PLT表实现）技术。这两种技术各有优缺点。二、Qt中的动态链接库编程使用C++面向对象的类编写DLL是要注意很多细节的，主要是二进制（ABI）兼容问题。COM是一个很成功的例子，只要符合COM的规范，我们就能编写出很好的DLL来，然而COM是微软私生的，要想跨平台，我们还得另找它路。Qt的跨平台特性同样令人（至少是我）兽血沸腾。如果你认为QT仅仅是一个跨平台界面库，那就小看它了。我要说的是，它不但是一个通用的跨平台的面向对象的应用程序接口库（包括GUI、数据库、网络、多线程、XML、数据容器和算法等，常用的编辑资源都有封装，就是说，这些都可以跨平台，而不仅仅是界面），更是一种C++语言的扩展，一种编程平台和应用程序框架。信号和槽的机制简化了对象之间的通信，比MFC的消息映射直观多了；界面的布局管理机制使开发人员可以很轻松地编出优雅的窗体；界面语言翻译机制也很方便实用；QObject容器管理可以看到Qt在内存管理方面的努力；扩展的foreach循环结构也向现代语言靠拢……Qt的跨平台特性很好，对于本文的主题——动态链接库的支持也很好。QT对各种平台的动态链接库编程技术都有包装，QT把这种技术统一命名为共享库（Shared Libraries）。通过使用Qt包装过的类和宏，可以编写跨平台的共享库和插件——当然，这只是源代码级别的跨平台，你不要指望用MSVC编译出来的DLL，能集成到ARM平台的Linux程序上面——这是一个很美很美的理想哦。QT使用以下两个宏来实现符号（函数或全局变量/对象）的导出和导入（跨平台不能用def文件了）：Q_DECL_EXPORT // 必须添加到符号声明中（共享库项目） Q_DECL_IMPORT // 必须添加到符号声明中（使用共享库的客户项目） Q_DECL_EXPORT // 必须添加到符号声明中（共享库项目）Q_DECL_IMPORT // 必须添加到符号声明中（使用共享库的客户项目）QT使用 QLibrary 类实现共享库的动态加载，即在运行时决定加载那个DLL程序，插件机制使用。三、QT共享库和插件范例本节通过例子，实现一个共享库和一个插件。在Windows平台上开发，使用VS2005编译，QT库版本为4.6.2。本例了将编写以下三类项目：Bil 项目：共享库项目，输出Bil.dll和Bil.lib，基础接口类库，定义一个公共的接口IAnimal（抽象类），供客户项目和插件项目使用；Plugin 类项目：插件类项目，现编写BilDog和BilPanda两插件项目，实现IAnimal的功能，供客户项目加载和测试。两项目输出BilDog.dll和BilPanda.dll；Test 项目：客户应用程序项目，输出Test.exe，界面中可以选择要加载的Animal插件，然后调用Animal的功能函数，完成测试；1. 编写共享库——Bil 项目的实现该项目定义一个抽象的 IAnimal 类作为导出接口，供客户项目和插件项目使用。项目类型为共享库，将生成Bil.lib和Bil.dll两个文件，Bil.lib供Plugin项目和Test 项目引用，而Bil.dll将给Test.exe运行时动态加载。新建一个头文件Bil.h，输入如下代码：view plaincopy to clipboardprint? #ifndef BIL_H #define BIL_H #include <Qt/qglobal.h>// 定义BIL_SHARE，使用者可以不用再处理符号的导入和导出细节 #ifdef BIL_LIB # define BIL_SHARE Q_DECL_EXPORT #else # define BIL_SHARE Q_DECL_IMPORT #endif #endif // BIL_H #ifndef BIL_H #define BIL_H #include <Qt/qglobal.h>// 定义BIL_SHARE，使用者可以不用再处理符号的导入和导出细节 #ifdef BIL_LIB # define BIL_SHARE Q_DECL_EXPORT #else # define BIL_SHARE Q_DECL_IMPORT #endif #endif // BIL_H 你现在可能不知道BIL_SHARE宏有何用处。没关系，请继续看下面的IAnimal接口定义代码：view plaincopy to clipboardprint? #ifndef IANIMAL_H #define IANIMAL_H #include "Bil.h" class BIL_SHARE IAnimal { public: IAnimal()virtual ~IAnimal()public: virtual void Eat() = 0virtual void Run() = 0virtual void Sleep() = 0}#endif // IANIMAL_H #ifndef IANIMAL_H #define IANIMAL_H #include "Bil.h" class BIL_SHARE IAnimal { public: IAnimal()virtual ~IAnimal()public: virtual void Eat() = 0virtual void Run() = 0virtual void Sleep() = 0}#endif 现在知道BIL_SHARE宏的妙用了吧。BIL_SHARE宏会根据项目编译选项BIL_LIB有没有定义，自动声明IAnimal是导出类，还是导入类。所以，使用BIL_SHARE宏，我们只需要向IAnimal插件的开发者提供同一份IAnimal定义文件（IAnimal.h）即可。当然，我们得先在Bil项目的编译选项中定义BIL_LIB宏，使得在Bil项目内，BIL_SHARE就是导出符号的声明。插件项目就不要定义BIL_LIB了，因为在Animal插件项目中，IAnimal是导入符号。编译选项如何定义宏？如果使用Visual Studio工程文件，依次展开：项目属性->配置属性->C/C++->预处理器，在预处理器定义中添加宏BIL_LIB即可；如果是QT工程文件，请在QT工程文件Bil.pro中加入如下定义：DEFINES += BIL_LIB DEFINES += BIL_LIB 在IAnimal接口中，我们定义了三个纯虚函数Eat()、Run()和Sleep()，表示吃、跑和睡眠的动作，这是抽象的，因为不同的动物有不同的吃相和睡眠姿态，而世间的动物何止千千万——无所谓，让这些具体动物的不同表现交给IAnimal插件的编写者发挥吧——这就是接口的魅力，加上插件的思想，整个应用程序就变成开放的，可扩展的了！继续编写Anima类的实现文件Anima.cpp：view plaincopy to clipboardprint? #include "IAnimal.h" IAnimal::IAnimal() { } IAnimal::~IAnimal() { } #include "IAnimal.h" IAnimal::IAnimal() { } IAnimal::~IAnimal() { } 虽然只实现了构造和析构函数，并且什么工作也不做，但这是必要的，我们暂时不要使用内联的构造和析构函数，否则在插件项目实现IAnimal时可能会出现链接错误。好了，我们开始编译吧，生成整个Bil项目。最终我们得到两个输出文件：Bil.lib 和 Bil.dll。我们向Animal插件开发者提供：两个头文件：Bil.h 和 IAnimal.h两个库文件：Bil.lib 和 Bil.dll下面的插件类项目和客户项目就是依赖这些文件实现的，也许你更愿意把Bil看作是一个通用的DLL类库，就像QT或MFC一样——事实上也是如此，Bil就是这样一个动态的共享类库。2. 编写Animal插件——BilDog和BilPanda项目的实现现在，让我们来实现两个小插件。BilDog插件很简单，只是汇报下“我是Dog，我正在啃骨头”；BilPanda也是如此——这里仅仅是测试而已，实现的项目中，你可以尽情的发挥——没错，是在遵循IAnimal接口的前提下。创建BilDog项目，把Bil项目输出的Bil.h、IAnimal.h和Bil.lib加入到工程。创建Dog类的头文件Dog.h： view plaincopy to clipboardprint? #ifndef CLASS_DOG_H #define CLASS_DOG_H #include "IAnimal.h" class Dog : public IAnimal { public: Dog(void)virtual ~Dog(void)public: virtual void Eat()virtual void Run()virtual void Sleep()}#endif // CLASS_DOG_H #ifndef CLASS_DOG_H #define CLASS_DOG_H #include "IAnimal.h" class Dog : public IAnimal { public: Dog(void)virtual ~Dog(void)public: virtual void Eat()virtual void Run()virtual void Sleep()}#endif 创建Dog类的实现文件Dog.cpp：view plaincopy to clipboardprint? #include <QtGui/QMessageBox>#include "Dog.h" Dog::Dog(void) { } Dog::~Dog(void) { } void Dog::Eat() { QMessageBox::information(NULL, "Hello", "Dog eating ...")} void Dog::Run() { QMessageBox::information(NULL, "Hello", "Dog running ...")} void Dog::Sleep() { QMessageBox::information(NULL, "Hello", "Dog sleeping ...")} #include <QtGui/QMessageBox>#include "Dog.h" Dog::Dog(void) { } Dog::~Dog(void) { } void Dog::Eat() { QMessageBox::information(NULL, "Hello", "Dog eating ...")} void Dog::Run() { QMessageBox::information(NULL, "Hello", "Dog running ...")} void Dog::Sleep() { QMessageBox::information(NULL, "Hello", "Dog sleeping ...")} 调用QT的QMessageBox::information()函数d出一个信息提示框。还有一个非常重要的工作，我们得提供一个能够创建（释放）Animal具体对象（这里是Dog）的接口，并且把这些函数导出，让主程序（Test.exe）能够解析这个接口函数，动态创建Animal对象，并访问其功能。新建BilDog.h文件，输入下面的代码：view plaincopy to clipboardprint? #ifndef BILDOG_H #define BILDOG_H #include "Dog.h" // extern "C" 生成的导出符号没有任何修饰，方便主程序找到它 extern "C" { Q_DECL_EXPORT IAnimal * CreateAnimal()Q_DECL_EXPORT void ReleaseAnimal(IAnimal * animal)} #endif // BILDOG_H #ifndef BILDOG_H #define BILDOG_H #include "Dog.h" // extern "C" 生成的导出符号没有任何修饰，方便主程序找到它 extern "C" { Q_DECL_EXPORT IAnimal * CreateAnimal()Q_DECL_EXPORT void ReleaseAnimal(IAnimal * animal)} #endif 这两个函数的工作很简单，直接创建和释放对象即可。

Plugin(Plug-in,addin,add-in,addon或add-on)是一种计算机应用程序，它和主应用程序(host application)互相交互，以提供特定的功能。应用程序支持Plugin有许多原因，一些主要原因包括：使得第三方开发者有能力扩展应用程序，以提供无法先期预料的特色；减小应用程序的大小；由于软件版权之间的不兼容性将源代码和应用程序分享。

Plugin 通常译作插件，下文中以插件代替Plugin。

支持插件的软件例如有：

Email客户端 使用插件对email编码、解码

图像软件 使用插件对文件格式进行支持和处理图像（Adobe Photoshop,AcdSee)

媒体播放器 使用插件支持文件格式和应用过滤器（foobar2000,GStreamer,Quintessential,VST,Winamp,XMMS,WindowsMediaPlayer)

包嗅探器 使用插件对包的格式进行解码 (OmniPeek)

遥感应用 使用插件处理不同类型传感器的数据（Opticks)

软件开发环境 使用插件支持不同的编程语言(Eclipse,NetBeans,jEdit,MonoDevelop)

Web浏览器 使用插件播放视频和媒体格式（Flash,QuickTime)

blog应用平台 使用插件增强blog功能（WordPress,LightPress,MovableType,Z-Blog)

blog终端 使用插件增加blog编辑功能（Windows Live Writer)

文件编辑器 使用插件提供特定的文本编辑能力（Emeditor,Notepad++)

编译任务管理软件 使用插件提供第三方语言支持或编译任务支持（Ant)

企业Web应用平台 使用插件针对不同业务进行处理（Struts)

Plugin 架构

plugin 下包含有c++和jsp语法两种语言分类

C++

FxEngine Framework - 一个数据流处理框架

Qt PlugIns - TrollTech的 Qt 框架的一部分

Delphi

TMS Plugin Framework

Java

Java Plug-in Framework (JPF），一种由Eclipse的插件机制而改写的架构

RCP，由Eclipse发展而来的技术平台，应用程序可以以插件方式编写，应用程序本身也可以拥有插件

Python

Setuptools

The Twisted Plugin System

Sprinkles

Python plugin system

.NET

AL Platform

Mono Addins - .Net和Mono的一个addin框架

Code Project 基于.NET的插件框架

Active Visic

Active Visic

使用ros_qtc_plugin插件新建项目

使用插件的“新建项目”中的“Import ROS

Workspace”选项不仅可以新建工作空间还可以导入现有的工作空间，而“新建文件”中的“ROS”下面的“Package”、“Basic

Node”等选项可以创建package和和节点、launch文件、urdf文件等

现在我们来创建一个新的catkin工作空间,并且在里面创建一个package

1、新建项目

“文件”——“新建文件或项目”，选择”Import ROS Workspace”——“choose”如上图

然后填写catkin工作空间的名字和位置，如下图

我这里的Name和catkin工作空间文件夹名字相同（也可以不同）名为catkin_new，然后选择“浏览”——“创建文件夹”，创建一个名为catkin_new的文件夹，如下图，按回车，再选择“打开”

出现一个对话框，询问新建的工作空间未被初始化，是否执行初始化，我们选择“yes”

这里相当于执行一次catkin_init_workspace命令，使工作空间初始化

然后点击下方的“Generate Project File”，再点击“下一步”

在“项目管理”步骤可以配置版本控制系统，我们选择“完成”，如下图

建好的工作空间catkin_new是空的，如下图

2、创建package

接下来我们在这个工作空间创建一个新的package

在catkin_new下面的src上右键单击，选择“添加新文件”，如下图

然后选择“ROS”——“package”——“choose”

填写package的名字，如test1

填写作者(Authors)和维护者(Maintainers)，如果你的Qt环境部没有配置中文支持请不要用中文，否则无法新建package，或者新建的package里面的package.xml会是空文件

在“Dependencies”下的“Catkin”一栏填写依赖，通常用C++写节点需要添加对roscpp的依赖

如下图

点击“完成”

3、添加新的节点

目前这个package还是空的，没有任何节点

我们在test1的src文件夹上右键单击，选择“添加新文件”

选择“ROS”——“Basic Node”——“choose”，创建一个节点，也就是新建一个.cpp文件

节点名称写为“node1”，则生成一个名为node1.cpp的源文件

用ROS模板新建的node1.cpp的源文件如下图，是自动生成的一个Hello World程序

4、编译节点

为了让它编译成可执行文件我们还需要编辑test1的makefile，如下图

为test1的CMakeLists.txt加上下面几行，意思是把node1.cpp编译成名为node1的节点

add_executable(node1 src/node1.cpp)

target_link_libraries(node1

${catkin_LIBRARIES}

)

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