XPCOM语言无关性的实现原理

Mozilla研究—XPCOM语言无关性的实现原理

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作者联系方式：Li XianJing <xianjimli at hotmail dot com>

更新时间：2007-3-8

mozilla是一个以浏览器为中心的软件平台，它在我们平台中占有重要地位。我们用它来实现WEB浏览器、WAP浏览器、邮件系统、电子书和帮助阅读器等应用程序。为此，我最近花了不少时间去阅读mozilla的代码和文档，我将写一系列的BLOG作为笔记，供有需要的朋友参考。本文介绍一下XPCOM语言无关性的实现原理。

本章的题目看起来有点神秘，可能有的朋友已经怀疑我在故作高深了。经过这几周的研究，我发现mozilla的复杂度超出了我的预期。当时和falls_huang聊天时，我说我们打算选择minimo作为浏览器。他说，假设客户发现浏览器有一个BUG，他要你们在一个月内搞定它，你认你们有这个能力吗？我想了一下，说，mozilla里面涉及到的技术我都比较熟悉，应该没有问题吧。那时我对mozilla本身仅仅知道一点皮毛，这个回答只是基于以前的调试经验罢了。

最近发现minimo(基于firebox 1.5的代码)确实存在不少BUG，要解决这些BUG还真不容易。其中XPCOM的语言无关性，对调试就是一个不小的障碍。定位问题是javascript引起的，还是C/C++组件引起的，通常比较麻烦。我想，与其头痛医头脚痛医脚，还不如系统的研究一下这个调用过程，所以才有这篇BLOG的诞生。

语言无关性是组件对象模型(COM)的主要特性之一。这里语言无关性有三重含义：其一是组件可以用不同的语言来实现，比如可以用javascript，也可以用C/C++，理论上还可以用其它语言来实现，不过本文关注的只是javascript和C/C++之间的调用。其二是同一个组件可以被不同的语言调用，从而做到跨语言的重用。其三是这种跨语言调用是透明的，调用者不知道也不必知道被调组件是用什么语言实现的。

如果只是要做前面两点那并不困难，一般的语言都会支持这种机制，不用组件对象模型(COM)一样可以实现。但这样做很麻烦：调用过程序比较繁琐。调用者要熟悉目标语言。调用者和实现者之间的耦合很紧密。

本文有两个目的：其一是弄清楚跨语言调用的实现原理。其二是弄清楚如何实现调用的透明性。尽管这里只是针对javascript和C/C++之间的调用，由于它们是解释型和编译型两种类语言之间的调用，所以正好是最为典型的情况，其它的情况差不多或者更为简单。

(在mozilla中，负责javascript和C/C++组件之间调用的模块称为XPConnect。)

1.         javascript调用C/C++的组件。

如果研究过脚本语言的解释器，我们就会知道：脚本语言的函数调用，它的参数不是放在解释器自身的栈里的，而是放一个调用上下文中，以数组或者链表之类的形式存在的。而像C/C++等编译型语言的函数调用，则是压入栈里的，完全由机器的栈管理指令(PUSH /POP)去实现的。

要在javascript里面调用C/C++的函数，关键是如何把脚本语言的参数，从调用上下文里压入到本机的原生(Native)栈里。有人说这很简单啊，一个一个的往里面压就行了。当然没那么简单，这里至少存在两个问题，第一是数据类型问题，在脚本语言中，数据类型不是很严格的，比如数字1，它到底是8位、16位、32位还是64位的？都有可能，我们无法知道具体是哪一种。不知道数据类型就没有办法压栈(即不知道压入的字节数，也不知道数据对齐的方式)。第二是参数进栈的顺序以及栈指针的维护者，这里存在多种方式，到底用哪一种也要考虑。

后者比较容易解决，只是要规定一种方式，大家都遵循就行了。前者的实现相对麻烦一点，为了获得函数参数的类型，javascript的解释器要能够知道被调组件的精确原型，这通常都是通过一种称为类型库的机制来实现的。类型库在XPCOM中称为xpt，xpt实际上是与接口定义语言(IDL)等价的，只是以二进制方式存储，更省空间，更有效率而已。在XPCOM初始化时，它遍历所有的.xpt文件，把接口信息的索引管理起来，当需要该接口的信息时，它再从.xpt文件中加载更详细的信息，这样一来，参数类型的问题就解决了。

mozilla/xpcom/reflect/xptinfo/src下的代码负责管理接口信息。可以通过XPTI_GetInterfaceInfoManager得到接口信息管理器，然后通过GetInfoForIID等函数，以接口ID或接口名称，查询到对应接口的信息。

至于参数的压栈，一般都是用汇编语言实现的，所以是与平台相关的。该函数的名称叫XPTC_InvokeByIndex，它的具体实现在mozilla/xpcom/reflect/xptcall/src/md下对应的平台文件中。

调用的透明性是javascript的解释器保证的。在javascript里面，调用者像调用javascript实现的组件一样调用它，而javascript解释器负责以上的转换。具体代码实现是在xpcwrappednativeinfo.cpp的XPCNativeMember::Resolve函数里，它把Native函数包装成JSFunction。

还有一个问题也值得注意，解释器里通过组件管理器可以创建组件，但它如何由接口实例指针得到其函数指针呢？我们知道C++类的非虚成员和C语言的普通函数没有什么差别，我们无法通过对象实例指针得到其非虚成员函数的指针。但是我们可以通过对象的虚表(vtable)查找到所要的虚函数指针，而接口函数又全部是虚函数，所以从实例得到函数指针就不成问题了。

2.         C/C++调用javascript的组件。

同样，在C++里调用javascript的函数，也存在参数转换的问题。只是过程正好相反了：即把参数从栈拿出来，放到javascript的调用上下文中。

在C/C++里调用javascript的组件不需要xpt了，原因是它可以通过其它方式知道接口的精确原型。精确原型从哪里来呢？从由IDL生成的头文件来。有了头文件，这种调用自然就透明化了。

从头文件的函数原型到javascript的转换也是比较复杂的。在XPCOM中，首先是通过一组模板，把对接口的调用映射到PrepareAndDispatch函数上，该函数负责从栈中弹出参数并放到参数数组中，然后经过nsXPCWrappedJS::CallMethod，再到javascript解释器去执行javascript的函数。

MS COM中跨语言的调用是通过IDispatch接口和类型库来实现的，XPConnect采用的方式与之类似，但它不强制要求组件实现IDispatch接口，这减化了组件的开发，同时也降低了可移植性(参数转换依赖于平台)。由此看来，可以说两者各有长短吧。