如何设计一个C ++程序以允许在运行时导入功能？

今天，我想问您一个有关C ++实现特定软件体系结构功能的问题。

当然，我使用了搜索但是没有找到任何直接链接的答案。

基本上，我的目标是建立一个程序，使用户可以对任意组成的物理系统（例如驾驶汽车）进行建模和仿真。我假设有一个物理模型库（类中的函数）。每个函数可以具有一些输入，并根据基础的物理描述返回一些输出，例如，内燃机模型，空气阻力模型，车轮模型等。

现在，该想法是为用户提供一个框架，该框架允许他根据自己的需求来组合任何功能，即映射任何身体行为。该框架应提供功能，以连接不同功能的输出和输入。因此，该框架提供了一个容器类。我称它为COMPONENT，它可以容纳一个或多个模型对象（FUNCTION）。这些容器还可以容纳其他组件（参见复合模式）以及功能参数之间的连接（CONNECTOR）。此外，组件类提供了一些通用的数字功能，例如数学求解器等。

功能的组合应在运行时完成。在第一个实例中，用户应该能够通过导入定义合成结构的XML来建立合成。后来，人们可能会想到添加GUI。

为了使您更好地理解，这里是一个非常简化的示例：

<COMPONENT name="Main">
  <COMPONENT name="A">
    <FUNCTION name="A1" path="lib/functionA1" />
  </COMPONENT>
  <COMPONENT name="B">
    <FUNCTION name="B1" path="lib/functionB1" />
    <FUNCTION name="B2" path="lib/functionB2" />
  </COMPONENT>
  <CONNECTIONS>
    <CONNECTOR source="A1" target="B1" />
    <CONNECTOR source="B1" target="B2" />
  </CONNECTIONS>        
</COMPONENT>

不必要深入研究框架的功能，因为我的问题更为普遍。编译框架代码/程序时，物理问题描述以及用户定义的功能未知。当用户选择功能（通过XML或以后通过GUI）时，框架应读取功能信息，即应获取输入和输出参数的信息，以便为用户提供互连功能的选项。

我知道反射的原理，并且我知道C ++不提供此功能。但是，我确信经常需要“在运行时构建对象”的概念。我应该如何在C ++中设置软件体系结构以实现我的目标？C ++是正确的语言吗？我忽略了什么？

提前致谢！

干杯，奥利弗

在纯标准C ++中，您不能“允许在运行时导入功能”。根据该标准，C ++函数集在构建时（实际上是链接时）是静态已知的，因为它是由构成程序的所有翻译单元的并集固定的。

实际上，大多数情况下（不包括嵌入式系统），C ++程序在某些操作系统上运行。阅读操作系统：三篇简单文章，以获得良好的概述。

一些现代操作系统允许动态加载的插件。POSIX特别指定dlopen＆dlsym。Windows有所不同LoadLibrary（链接模型较低；您需要显式注释相关功能，插件提供或使用的功能）。顺便说一句，在Linux上，您实际上可以dlopen使用很多插件（请参阅我的manydl.c程序，足够耐心，它可以生成然后加载近一百万个插件）。因此，您的XML东西可能会推动插件的加载。您的多组件/多连接器描述使我想起了Qt信号和插槽（这需要moc预处理器；您可能也需要类似的东西）。

大多数C ++实现都使用名称修饰。因此，您最好将其声明为extern "C"与插件相关的功能（并在其中定义并dlsym从主程序访问）。阅读C ++ dlopen mini HowTo（至少适用于Linux）。

BTW，Qt和POCO是C ++框架，为插件提供了一些可移植的高级方法。使用libffi，您可以调用仅在运行时才知道其签名的函数。

另一种可能性是在程序中嵌入一些解​​释器，例如Lua或Guile（或像Emacs一样编写自己的解释器）。这是一个强有力的建筑设计决策。您可能需要阅读Lisp in Small Pieces和Programming Language Pragmatics中的更多内容。

这些方法有多种变体或混合体。您可以使用一些JIT编译库（例如libgccjit或asmjit）。您可以在运行时在临时文件中生成一些C和C ++代码，将其编译为临时插件，然后动态加载该插件（我在GCC MELT中使用了这种方法）。

在所有这些方法中，内存管理都是一个重要的问题（它是“整个程序”属性，而程序的“信封”实际上是“更改”）。您至少需要一些有关垃圾收集的文化。阅读GC手册中的术语。在许多情况下（任意循环引用中的弱指针是不可预测的），C ++ 智能指针所珍视的引用计数方案可能还不够。另请参见本。

阅读有关动态软件更新的信息。

请注意，某些编程语言（尤其是Common Lisp（和Smalltalk））对运行时导入函数的想法更为友好。SBCL是Common Lisp的一个免费软件实现，可以在每次REPL交互时编译为机器代码（甚至能够进行垃圾回收机器代码，并且可以保存整个核心映像文件，以后可以轻松地重新启动）。

显然，您正在尝试使用自己的Simulink或LabVIEW类型的软件，但是使用了恶意的XML组件。

最基本的是，您正在寻找面向图形的数据结构。您的物理模型由节点（您称它们为组件）和边（命名中的连接器）组成。

没有语言强制机制来执行此操作，即使使用反射也是如此，因此您必须创建一个API，并且要播放的任何组件都必须实现多个功能并遵守API规定的规则。

每个组件都需要实现一组功能来完成以下工作：

• 获取组件的名称或有关它的其他详细信息
• 获取组件公开的输入或输出数量
• 询问有关输出的特定输入的组件
• 将输入和输出连接在一起
• 和别的

这只是用于设置图形。您将需要定义其他功能来组织实际执行模型的方式。每个功能都有一个特定的名称，所有组件都必须具有这些功能。组件特有的任何内容都必须通过该API才能到达，组件之间的方式相同。

您的程序不应尝试调用这些“用户定义的函数”。相反，它应该在每个组件上调用通用的“计算”函数或类似的函数，并且组件本身负责调用该函数，并将其输入转换为输出。输入和输出连接是该函数的抽象，这是程序应该看到的唯一内容。

简而言之，几乎没有什么是C ++特有的，但是您将必须实现一种针对特定问题域的运行时类型信息。使用API​​定义的每个函数，您将知道在运行时要调用的函数名称，并且知道每个调用的数据类型，并且只需使用常规的旧动态库加载就可以完成它。这将附带大量样板，但这只是生活的一部分。

不过，您要牢记的一个C ++特定方面是最好让您的API成为C API，这样，如果用户提供自己的模块，则可以对不同的模块使用不同的编译器。

DirectShow是一个API，可以完成我描述的所有事情，并且可以作为一个很好的例子。

您可以使用Leadelf library.so，然后对照库标题对符号进行交叉检查。这是一个执行此操作的shell php脚本 https://github.com/comarius/elf_resolver