0.目錄

1. 定義
2. ABI和API
3. 二進(jìn)制兼容的相關(guān)問題
4. C++抽象類和Java的接口
5. 總結(jié)
6. 參考

1.定義

所謂二進(jìn)制兼容就是在做版本升級(jí)（也可能是Bug fix）庫(kù)文件的時(shí)候蒋川，不必要做重新編譯使用這個(gè)庫(kù)的可執(zhí)行文件或使用這個(gè)庫(kù)的其他庫(kù)文件，同時(shí)能保證程序功能不被破壞邮破。

先明確兩個(gè)概念：二進(jìn)制兼容和源碼兼容：

• 二進(jìn)制兼容：升級(jí)庫(kù)文件時(shí)揍堕，不必重新編譯使用此庫(kù)的可執(zhí)行文件或其他庫(kù)文件，且程序的功能不被破壞
• 源代碼兼容：升級(jí)庫(kù)文件時(shí)蜒滩，不必修改使用此庫(kù)的可執(zhí)行文件或其他庫(kù)文件的源代碼，只需重新編譯應(yīng)用程序，即可使程序的功能不被破壞

2.ABI和API

應(yīng)用二進(jìn)制接口（application binary interface玫氢，縮寫為ABI）描述了應(yīng)用程序（或者其他類型）和操作系統(tǒng)之間或其他應(yīng)用程序的低級(jí)接口。ABI涵蓋了各種細(xì)節(jié)谜诫，如：數(shù)據(jù)類型的大小漾峡、布局和對(duì)齊；調(diào)用約定等喻旷。

在了解二進(jìn)制兼容和源碼兼容兩個(gè)定義以后生逸，我們?cè)倏磁c其類似且對(duì)應(yīng)的兩個(gè)概念：ABI和API。ABI不同于API（應(yīng)用程序接口）且预，API定義了源代碼和庫(kù)之間的接口槽袄，因此同樣的代碼可以在支持這個(gè)API的任何系統(tǒng)中編譯，然而ABI允許編譯好的目標(biāo)代碼在使用兼容ABI的系統(tǒng)中無(wú)需改動(dòng)就能運(yùn)行锋谐。

舉個(gè)例子掰伸，在Qt和Java兩種跨平臺(tái)程序中，API像是Qt的接口怀估，Qt有著通用接口狮鸭，源代碼只需要在支持Qt的環(huán)境下編譯即可。ABI更像是Jvm多搀，只要支持Jvm的系統(tǒng)上歧蕉，都可以運(yùn)行已有的Java程序。

C++的ABI

ABI更像是一個(gè)產(chǎn)品的使用說明書康铭，同理C++的ABI就是如何使用C++生成可執(zhí)行程序的一張說明書惯退。編譯器會(huì)根據(jù)這個(gè)說明書，生成二進(jìn)制代碼从藤。C++的ABI在不同的編譯器下會(huì)略有不同催跪。

c++ ABI的部分內(nèi)容舉例：

• 函數(shù)參數(shù)傳遞的方式，比如 x86-64 用寄存器來傳函數(shù)的前 4 個(gè)整數(shù)參數(shù)
• 虛函數(shù)的調(diào)用方式夷野，通常是vptr/vtbl然后用vtbl[offset]來調(diào)用
• struct和class的內(nèi)存布局懊蒸，通過偏移量來訪問數(shù)據(jù)成員

綜上所述，如果可執(zhí)行程序通過以上說明書訪問動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)A悯搔，以及此庫(kù)的升級(jí)版本A+骑丸，若按此說明書上的方法，可以無(wú)痛的使用A和A+，那么我們就稱庫(kù)A的這次升級(jí)是二進(jìn)制兼容的通危。

3.二進(jìn)制兼容的相關(guān)問題

3.1 破壞二進(jìn)制兼容的幾種常見方式

• 添加新的虛函數(shù)
  修改虛函數(shù)表內(nèi)的排列順序铸豁，即使把新增加的虛函數(shù)放到最后一個(gè)，也可能會(huì)引起問題菊碟，如該類作為父類被其他類繼承等节芥；

• 修改函數(shù)的參數(shù)列表
  由于C++支持同名函數(shù)重載，C++編譯時(shí)逆害，會(huì)對(duì)函數(shù)名字進(jìn)行name mangling藏古，如果修改了函數(shù)的參數(shù)列表，經(jīng)過C++編譯器編譯后忍燥，函數(shù)的名稱就變了拧晕，現(xiàn)有的可執(zhí)行文件無(wú)法傳這個(gè)額外的參數(shù)；

• 不導(dǎo)出或者移除一個(gè)導(dǎo)出類

• 改變類的繼承

• 改變虛函數(shù)聲明時(shí)的順序
  偏移量改變梅垄，導(dǎo)致調(diào)用失敗

• 添加/刪除非靜態(tài)成員變量
  改變?cè)擃惖膶?duì)象的大小厂捞，類的內(nèi)存布局改變，偏移量也發(fā)生變化队丝，如：

pfoo = new Foo(); // 由于sizeof(Foo)發(fā)生了變化靡馁，分配的內(nèi)存可能不夠
pfo->member_variable; // 可能會(huì)出錯(cuò)，偏移量變化
// 當(dāng)使用 inline setxxx(x)時(shí)机久，也可能會(huì)出錯(cuò)臭墨，因?yàn)閕nline函數(shù)可能已經(jīng)編譯進(jìn)使用該庫(kù)的程序代碼中。

• 改變非靜態(tài)成員變量的聲明順序
  偏移量改變

• 增加默認(rèn)模板類型參數(shù)

// 如:
template <typename T> class Grid {}; // old
template <typename t, typenameContainer=vector> class Grid{}; // new

• 改變enum的值

enum Color { Red = 3}; // old
enum Color { Red = 4}; // new
// 這會(huì)造成錯(cuò)位膘盖。當(dāng)然胧弛，由于enum自動(dòng)排列取值，添加enum項(xiàng)也是不安全的侠畔，除非是在末尾添加结缚。

3.2 不會(huì)破壞二進(jìn)制兼容的幾種常見方式

• 添加非虛函數(shù)（包括構(gòu)造函數(shù)）
• 添加新的類
• 在已存在的枚舉類型中添加一個(gè)枚舉值
• 添加新的靜態(tài)成員變量
• 修改成員變量名稱（偏移量未改變）
• 增減類的友元聲明

只要我們知道了程序是以什么方式訪問動(dòng)態(tài)庫(kù)的（C++的ABI)，那么我們就很好判斷软棺，哪些操作會(huì)破壞二進(jìn)制兼容红竭。更多方式請(qǐng)參見Policies/Binary Compatibility Issues With C++

3.3 解決二進(jìn)制兼容問題的相關(guān)方法

編寫庫(kù)時(shí)最大的問題是，不能安全地添加數(shù)據(jù)成員喘落，因?yàn)檫@會(huì)改變每個(gè)包含類對(duì)象（包括子類）的類茵宪，結(jié)構(gòu)或數(shù)組的大小和布局。

1. 使用Bitflags即位域

//old
uint m1 : 1;
uint m2 : 3;
uint m3 : 1;

//new
uint m1 : 1;
uint m2 : 3;
uint m3 : 1;
uint m4 : 2; // new member without breaking binary compatibility.

不會(huì)破壞二進(jìn)制兼容性瘦棋。 但需要根據(jù)字節(jié)對(duì)其取整稀火，否則可能會(huì)因改變了整個(gè)類的大小導(dǎo)致sizeof()之類的方法出問題，使用最后一位可能會(huì)在某些編譯器上引起問題兽狭。

2. 使用靜態(tài)庫(kù)（當(dāng)然也隨之帶來一系列弊端）

3. D指針設(shè)計(jì)模式(PImpl機(jī)制)

4. COM理論
COM (Component object model) 組件對(duì)象模型是微軟提出的一個(gè)想法憾股，它其實(shí)是一個(gè)規(guī)范鹿蜀，并且是二進(jìn)制規(guī)范箕慧，也就是說只要遵循這個(gè)規(guī)范服球，任何語(yǔ)言、任何平臺(tái)都可以相互調(diào)用相應(yīng)組件颠焦。

COM涉及到幾個(gè)概念：

1. class ID斩熊，可以是CLSID - class的GUID 或者 IID - interface的GUID。COM通過這個(gè)ID來保證快語(yǔ)言伐庭，因?yàn)榛旧纤姓Z(yǔ)言都可以處理GUID字符串粉渠；另外COM開發(fā)者可以通過GUID來獲取到準(zhǔn)確的對(duì)象結(jié)構(gòu)。
2. coclass - component object class圾另，簡(jiǎn)單來說就是COM組件提供給使用者的接口類霸株，這些類其實(shí)都是都繼承 IUnkown接口的抽象類，里面都是純虛函數(shù)集乔。這個(gè)IUnknown包含三個(gè)方法：
   • AddRef - 增加對(duì)象引用計(jì)數(shù)
   • Release - 減少引用計(jì)數(shù)去件，如果計(jì)數(shù)為0，則銷毀
   • QueryInterface - 根據(jù)GUID來查到對(duì)象

COM組件還涉及到注冊(cè)表扰路，它可以注冊(cè)到操作系統(tǒng)的注冊(cè)表中尤溜，這樣就算當(dāng)前這個(gè)組件DLL物理位置與運(yùn)行文件不在同一個(gè)目錄，也可以加載并獲取DLL的導(dǎo)出對(duì)象或者函數(shù)汗唱。更多了解可以看 CodeProject - Introduction to COM - What It Is and How to Use It宫莱。

那為什么可以說COM能保證二進(jìn)制兼容呢？

其實(shí)通過上面兩個(gè)概念可以有點(diǎn)思緒哩罪，所謂二進(jìn)制兼容對(duì)于C++ 來說就是要保證第三方使用DLL提供的接口對(duì)象時(shí)授霸，保證內(nèi)存布局不會(huì)改變，或者說不會(huì)影響际插。對(duì)于C++來說绝葡，對(duì)象內(nèi)存布局的主要包括：

變量
虛函數(shù) - 每個(gè)實(shí)例都會(huì)有一個(gè)虛函數(shù)列表（包括基類的）
對(duì)于COM實(shí)現(xiàn)來說，因?yàn)槭峭ㄟ^GUID來獲取對(duì)象腹鹉，并且這些對(duì)象都是由接口來提供的實(shí)例化（抽象類不能創(chuàng)建實(shí)例藏畅，這些實(shí)例都是繼承的子類實(shí)現(xiàn)），就像 caller ----> coclass (interface) --create--> instance 這樣調(diào)用功咒。
由于 instance 是在COM組件類（DLL）實(shí)例化以及釋放愉阎，所以其內(nèi)存布局對(duì)于 caller 來說是沒有影響的。

4.C++抽象類和Java的接口

之前我一直認(rèn)為C++的抽象類就類似于Java的接口力奋，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)榜旦，如果把一個(gè)C++的抽象類作為動(dòng)態(tài)庫(kù)的接口發(fā)布，那將是毀滅的景殷。因?yàn)槟銦o(wú)法增加虛函數(shù)溅呢，無(wú)法增加成員變量澡屡，這使得這個(gè)接口變得非常的不友好。這也就是Java接口的優(yōu)勢(shì)所在咐旧。Java 實(shí)際上把 C/C++ 的 linking 這一步驟推遲到 class loading 的時(shí)候來做驶鹉，便不存在上述二進(jìn)制兼容的問題。

理解Java二進(jìn)制兼容的關(guān)鍵是要理解延遲綁定（Late Binding）铣墨。延遲綁定是指Java直到運(yùn)行時(shí)才檢查類室埋、域、方法的名稱伊约，而不象C/C++的編譯器那樣在編譯期間就清除了類姚淆、域、方法的名稱屡律，代之以偏移量數(shù)值——這是Java二進(jìn)制兼容得以發(fā)揮作用的關(guān)鍵腌逢。
由于采用了延遲綁定技術(shù)， 方法超埋、域搏讶、類的名稱直到運(yùn)行時(shí)才解析，意味著只要域纳本、方法等的名稱（以及類型）一樣窍蓝，類的主體可以任意替換。

5.總結(jié)

• 盡可能的不要使用虛函數(shù)作為接口
• 使用pimpl

6.參考

• Policies/Binary Compatibility Issues With C++
• C++ 工程實(shí)踐(4)：二進(jìn)制兼容性
• C++的二進(jìn)制兼容
• 二進(jìn)制兼容的那些事