Разработка динамических (DLL) библиотек

Стрельба в цель упражняет руку и причиняет верность глазу.
Козьма Прутков

Динамические подключаемые библиотеки (Dynamic Link Libraries, DLLs) являются хранилищем общедоступных процедур. Механизм DLL-библиотек появился вместе с операционной системой Windows и является ее неотъемлемой частью. Суть этого механизма в том, что в процессе компоновки исполняемого модуля с использованием внешних процедур в него помещаются не сами процедуры, а только их названия (номера) вместе с названиями DLL-библиотек, в которых они содержится. В уроке 14 «Модульное программирование» учебника для связи модулей на разных языках рассматривались стандартные соглашения по передаче параметров, которые специфическим образом реализовывались на уровне конкретных компиляторов языков программирования. Этот механизм был, пожалуй, единственным средством связи разноязыковых модулей при программировании для MS DOS. В среде Windows более естественным является механизм DLL-библиотек. Он позволяет, в частности, разработать набор процедур на ассемблере и затем использовать их в программах на языках высокого уровня, поддерживающих механизм динамического связывания.
Как правило, если язык программирования поддерживает разработку Windows-приложений, то он имеет средства для разработки и использования DLL-библиотек. Ассемблер не является исключением. Общие принципы разработки DLL-библиотек для всех языков одинаковы, так как эти библиотеки являются универсальным механизмом, не зависящим от конкретного языка. Поэтому, разрабатывая DLL-библиотеку, необходимо учитывать общие требования к таким библиотекам. Структурно DLL-библиотека представляет собой обычную программу, включающую некоторые специфические элементы. Рассмотрим процесс создания и использования DLL-библиотеки на языке ассемблера. Для этого разработаем консольное приложение, которое выводит некоторую строку на экран 10 раз. На каждой итерации вывода меняются атрибуты этой строки. За основу взята программа prg05_ll.asm из главы 5. Только теперь строка с выводимым сообщением находится в приложении, а сама процедура вывода — в DLL-библиотеке. Для демонстрации передачи и возврата параметров в процедуру передаются длина и адрес строки, а возвращаются значения Offffffffh в четыре регистрах ЕАХ, ЕВХ, ЕСХ, EDX. Обсудим процесс по шагам.

Шаг 1. Разработка текста DLL-библиотеки

Как мы уже отметили, DLL-библиотека представляет собой обычную программу на языке ассемблера. Выбор примера для демонстрации разработки и использования DLL-библиотеки неслучаен. Тем самым мы подтвердим тезис о том, что обычная программа и DLL-библиотека имеют много общего. С точки зрения структуры DLL-библиотека является набором функций, переменных и констант, а также необязательного кода инициализации, которые оформлены в соответствии с требованиями ассемблера. Ниже приведен пример DLL-библиотеки для нашей задачи.

;maket_dll.asm - текст DLL-библиотеки. :Содержит одну функцию - WriteCon
locals
.model flat.STDCALL ;модель памяти flat.
Объявление внешними используемых в данной программе функций Win32 (ASCII):
:обьявление процедуры WriteCon общедоступной publicdll WriteCon
.data
.code
DllMainproc
arg №h I nst: dword. @@event: dword. @<ano_use: dword
@@m: moveax.l
ret
DllMainendp
WriteCon ргос :см. дискету и prg05_ll.asm из главы 5 arg@@adr_str:dword.@@len_str:dword
ret
endp WriteCon endDllMain

Хорошо видно, что DLL-библиотека является действительно обычным файлом ассемблера. Есть все, даже имя точки входа, указываемое в последней директиве END. Но здесь и начинаются странности. На самом деле это не обычная точка входа, которую мы привыкли указывать в любой программе на ассемблере, а адрес команды в DLL-библиотеке, получающей управление в строго определенных случаях. Эта команда является первой в цепочке команд, составляющих так называемый код инициализации DLL-библиотеки. Назначение этого кода — выполнить необходимые действия по инициализации DLL-библиотеки при наступлении определенных событий. Наличие этого кода в DLL-библиотеке необязательно, и при его отсутствии нет необходимости указывать соответствующую метку в заключительной директиве END. Если все же код инициализации присутствует в DLL-библиотеке, то он должен быть разработан с учетом определенных требований.

• Во-первых, этот код должен быть рассчитан на то, что он получает управление в одном из четырех случаев. О наступлении каждого из этих случаевоперационная система извещает DLL-библиотеку путем передачи ей одного из четырех предопределенных значений — флагов. Значения этих флагов перечислены в файле winnt.h. Рассмотрим эти флаги и возможные действия при их поступлении в DLL-библиотеку.
• DLLPR0CESSATTACH-1 — передается операционной системой DLL-библиотеке при проецировании последней в адресное пространство процесса. Передача этого флага DLL-библиотеке производится всего один раз, обычно при загрузке приложения, использующего данную DLL-библиотеку. Если позже другой поток процесса попытается загрузить эту же библиотеку, то система попросту увеличит ее счетчик использования без посылки флага DLLPROCESSATTACH. Получив данный флаг, DLL-библиотека должна выполнить действия по созданию необходимой среды функционирования для своих функций. Например, обеспечить их кучей.
• DLL_THREAD_ATTACH=2 — передается операционной системой DLL-библиотеке при создании нового потока в процессе. Этим DLL-библиотеке предоставляется возможность нужным образом обработать факт создания нового потока. Следует иметь в виду, что этот процесс не является обратимым, то есть если DLL-библиотека загружается в процесс, когда в нем уже функционируют потоки, то ни одному из них не посылается флаг DLL_THREAD_ATTACH.
  # DLL_THREAD_DETACH=3 — передается операционной системой DLL-библиотеке при выгрузке потоком DLL-библиотеки.
  # DLL_PROCESS_DETACH=0 — передается операционной системой DLL-библиотеке при выгрузке DLL-библиотеки из адресного пространства процесса. Логично, что при этом требуется провести завершающие действия по освобождению всех ресурсов, которыми владеет DLL-библиотека. Обычно эти действия являются обратными по отношению к предпринятым при инициализации библиотеки (см. флаг DLLPROCESSATTACH).
  Во-вторых, имя точки входа DLL-библиотеки может быть любым. Главное, чтобы при наличии кода инициализации это имя было указано в директиве END.
  В-третьих, оформление кода инициализации в виде отдельной процедуры необязательно. Главное, выполнить два основных действия кода инициализации DLL-библиотеки (при его наличии):
• # вернуть единицу в регистре ЕАХ;
  # удалить из стека три параметра, которые передаются DLL-библиотеке при передаче описанных выше флагов: hlnstDLL — дескриптор DLL-библиотеки, назначенный ей системой при ее загрузке в адресное пространство процесса;
• vent — значение флага, передаваемого в DLL-библиотеку; f ImpLoad — параметр не равен 0, если библиотека загружена неявно (см. ниже), и равен 0 в обратном случае.

Структура полного варианта инициализациониого кода выглядит так:

includeWindowConA.inc;проверьте присутствие значений флагов в этом файле"
DllMain ргос
arg hlnstDLL:dword. event:dword,fImpLoad:dword
cmp [event].DLL_PROCESS_ATTACH
jne m выполняем действия для DLL_PROCESS_ATTACH
cmp [event].DLL_THREAD_ATTACH
jnem :выполняем действия для DLL_THREAD_ATTACH
cmp [event]. DLL_THREAD_DETACH
jnem выполняем действия для DLL_THREAD_DETACH
cmp [event].DLL_PROCESS_DETACH
jnem
выполняем действия для DLL_PROCESS_DETACH m: moveax.l
ret DllMainendp

Минимальный вариант может выглядеть так, как это сделано в нашем примере:

DllMain ргос
arg hlnstDLL:dword. event:dword,fImpLoad:dword
m: mov eax.l
ret DllMainendp

Или так:

DllMain: m: moveax.l ret 12

He забывайте, что директива arg приводит к тому, что в код, генерируемый транслятором, вставляются команды ENTERD и LEAVED (см. выше разделы «Реализация рекурсивных процедур» и «Реализация вложенных процедур»). Кроме этого, команда RET процедуры дополняется значением, равным сумме длин параметров, указанных в директиве ARG . Исполнение такой команды приводит к удалению из стека количества байт, равного этому сформированному значению.
Что касается кода функций (процедур), составляющих DLL-библиотеку, то для их написания используются обычные правила разработки программ. Описание данных также ничем не отличается от обычной программы ассемблера. Ведь в конечном итоге код и данные процедур DLL-библиотеки оказываются в адресном пространстве процесса наравне с его кодом и данными.
Последнее, что необходимо отметить, — все экземпляры данных и имена процедур, которые должны быть видны вне пределов DLL-библиотеки, объявляются общими с использованием одной из директив PUBLIC или PUBLICDLL.

Шаг 2. Трансляция и компоновка исходного текста DLL-библиотеки

После того как подготовлен исходный текст библиотеки, его транслируют обычным для программ ассемблера образом. Что же касается компоновки, то необходимо помнить, что ее целью является получение файла с расширением .dll, а не обычного файла с расширением .ехе. Весь этот процесс удобно обсуждать на примере реального файла makefile, текст которого приведен ниже:

TASM0PT=/m3 /mx /z /q /DWINVER=0400 /D_WIN32_WINNT=0400
!1f $d(DEBUG)
TASMDEBUG=/zi
LINKDEBUG=/v
lelse
TASMDEBUG=/1
LINKDEBUG=
lendif
!if Sd(MAKEDIR)
IMP0RT=import32
lelse
IMP0RT=import32
lendif
${NAME).EXE: $(OBJS) $(DEF)
t1ink32 /Tpd /aa /c $(LINKDEBUG) $(OBJS).$(NAME).. S(IMPORT). $(DEF) .asm.obj:
tasm32 KTASMDEBUG) S(TASMOPT) $&.asm

Запуск данного файла производится командной строкой:

make -DOEBUG -fmakefile_dll.mak >p.txt

В результате формируется несколько файлов, перечень которых определяется тем, насколько успешно отработали программы транслятора tasm32 и компоновщика nk.32. Для быстрой оценки этого результата мы перенаправили весь вывод в файл p.txt Просмотрев этот файл, можно оценить успешность создания DLL-библиотеки, не анализируя другие файлы (например, файл листинга). При наличии синтаксических ошибок необходимо исправить их и повторить запуск make-файла на исполнение.
Для успешной компоновки необходим еще один файл — с расширением .def. Необходимое и достаточное содержимое файла maket_dll.def приведено ниже:

LIBRARY maketjll DESCRIPTION 'Win32 DLL' EXPORTS WriteCon @1

В этом файле следует обратить внимание на директиву EXPORTS, которая содержит имена экспортируемых функций DLL-библиотеки и их ординалы, то есть порядковые номера этих функций в DLL-библиотеке. Последние использовались в 16-разрядных версиях Windows, однако в современных версиях этой операционной системы их использование необязательно, и Microsoft настоятельно рекомендует этого не делать.
О том, что компоновщик должен создать именно DLL-библиотеку, указывают с помощью ключа /Tpd.

Шаг 3. Создание lib-файла

Как указать приложению местонахождение внешних функций, расположенных в DLL-библиотеках? Если бы приложение использовало только одну DLL-библиотеку, то проблем бы не было — указывай нужную и продолжай процесс сборки приложения. Если количество необходимых приложению DLL-библиотек больше одной, а тем более если их десятки, то ситуация требует иного решения, нежели простое перечисление нужных приложению DLL-библиотек. Для централизованного хранения информации о размещении используемых приложением функций в DLL-библиотеках применяют LIB-файлы. Эти файлы представляют собой своеобразный справочник о размещении функций в DLL-библиотеках. При этом не указывается никаких путей, так как при обращении к DLL-библиотеке операционная система ищет ее по следующему алгоритму.

1. 1. В каталоге, содержащем ехе-файл приложения.
   2. В текущем каталоге процесса.
   3. В системном каталоге Windows.
   4. В основном каталоге Windows.
   5. В каталогах, указанных в переменной окружения PATH.

В пакете TASM для создания LIB-файла предназначена утилита Implib.exe. Для создания LIB-файла в нашем примере необходимо выполнить следующую командную строку:

IMPLIB.EXE maketjll .lib maket_dll.DLL >p.txt

Как видите, мы опять используем перенаправление вывода в файл p.txt для быстрой оценки результата работы программы IMPLIB.EXE. Если выполнение этой утилиты было успешным, то формируется файл maket_dll.lib, который в дальнейшем используется для сборки целевого приложения.

Шаг 4. Сборка приложения с использованием DLL-библиотеки

Приведем содержимое make-файла для сборки целевого приложения:

NAME = maket
OBJS = $(NAME).obj
DEF = $(NAME).def
lif Sd(DEBUG)
TASMDEBUG=/zi
LINKDEBUG=/v
'.else
TASMDEBUG=
LINKDEBUG=
lendif
TASMOPT=/m3 /z /q # /DWINVER=0400 /D_WIN32_WINNT-0400
# /mx
lif Sd(MAKEDIR)
IMPORT=$(MAKEDIR)\import32+maket_dll
lelse
IMPORT=import32+maket_dl1
lendif
$(NAME).EXE: $(OBJS) $(DEF)
tlink32 /Tpe /aa /x /c $(LINKDEBUG) $(OBJS).$(NAME).. $(IMPORT). $(DEF) .asm.obj:
del $(NAME).EXE
tasm32 $(TASMDEBUG) /ml $(TASMOPT) $&.asm...

Теперь, имея два make-файла (для сборки файлов .dll и .ехе ), можно провести сравнительный анализ их содержимого. Отметим два момента:
Ш в макропеременной IMPORT указываются имена (без расширений) LIB-фай-лов, содержащих сведения о нужных приложению функциях в DLL-библиотеках (если LIB-файлов несколько, то они перечисляются с использованием знака +);
ш для сборки ехе-приложения используется ключ компоновщика. Содержимое DEF-файла maket.def приложения:

NAME maket
DESCRIPTION 'Assembly Console Windows Program'
CODE PRELOAD MOVEABLE DISCARDABLE
DATA PRELOAD MOVEABLE MULTIPLE
EXPORTS

И наконец, содержимое самого файла maket.asm, использующего функцию из разработанной нами DLL-библиотеки maket_dll.dll.

: maket.asm - программа, вызывающая функцию WriteCon из файла maket_dll.dll
includelibmaket_dll .lib необязательно
.data
TitleText db "Строка выводится процедурой из DLL"
Lenjitl eText-$ - Ti tl eText
.code
start proc near ;точка входа в программу:
:работаем .........
push Len_TitleText
push offset TitleText
call WriteCon exit: ;выход из приложения

Импортируемую из DLL-библиотеки функцию необходимо объявить внешней директивой extrn WriteCon:PROC.

Шаг 5. Проверка работоспособности приложения с использованием DLL-библиотеки

Для проверки работоспособности полученного на предыдущем шаге приложения можно использовать отладчик TD32.EXE. Кстати, когда вы будете в нем работать, обратите внимание на то, как происходит переход из DLL-библиотеки на код в процедуре. Вы увидите, что помощь в этом оказывает неизвестно откуда появившаяся команда JMP. Причину этого вы можете выяснить, прочитав раздел «Секция описания импортируемых функций РЕ-файла» главы «Форматы исполняемых файлов» книги.
При разработке DLL-библиотек естественным образом возникает вопрос о совместимости с приложениями, разработанными на других языках. Это тем более актуально, если речь идет о продуктах разных фирм-производителей программного обеспечения. Проверить, насколько совместима разработанная нами с помощью средств TASM DLL-библиотека, можно с помощью утилиты DumpBin.exe из пакета Microsoft Visual Studio. Запустите ее командной строкой вида:

DUMPBIN.EXE -exports maketjJll.DLL>p.txt

Тогда в файле p.txt вы получите отчет о содержимом раздела экспорта DLL-библиотеки maket_dll.dll. Проанализировав полученные результаты, вы убедитесь, что проблем с распознаванием нашей DLL-библиотеки у этого программного средства фирмы Microsoft не возникло. Это дает основание полагать, что данную библиотеку при соответствующем наполнении полезными функциями можно использовать при программировании на VisualC/C++, VisualBasic и т. п. При этом необходимо иметь в виду, что может иметь место искажение имен функций при использовании компиляторов различных фирм. Подробнее об этом можно узнать в соответствующей литературе.
Не следует забывать, что на практике возможны три формы загрузки DLL-библиотеки в адресное пространство процесса: неявная, явная и отложенная. Описанный выше способ сборки приложения на самом деле был неявным и предполагал, что загрузка DLL-библиотеки производится при запуске самого приложения. Явный способ загрузки DLL-библиотеки предполагает ее загрузку во время работы приложения. Для этого в Win32 API существуют специальные функции:

HINSTANCE LoadLibraryC LPCTSTR lpLibFileName ):
HMODULE LoadLibraryExtLPCTSTR lpLibFileName,HANDLE hF1le, DWORD dwFlags):

Третий способ загрузки DLL-библиотек — отложенная загрузка. Этот вид загрузки предполагает, что DLL-библиотека не будет загружена в адресное пространство процесса до тех пор, пока приложению не потребуется осуществить доступ к любому экспортируемому из этой DLL-библиотеки объекту (переменной, константе, процедуре). Подробнее об этом и других вопросах разработки и использования DLL-библиотек можно прочитать в литературе.