Delphi 使用 C++ 函式庫整合方案

Delphi 與 C++ 的整合開發時常遇到函式庫不相容的挑戰，尤其是在應用程式二進位制介面（ABI）層級。由於 Delphi 和 C++ 使用不同的物件模型、呼叫慣例和名稱修飾機制，直接在 Delphi 中使用 C++ 函式庫並不可行。本文提供的解決方案是建立一個代理 DLL 作為橋樑，將 C++ 函式庫的功能包裝成 Delphi 可以呼叫的介面。代理 DLL 使用與 C++ 函式庫相同的編譯器和連結器，確保 ABI 相容性。在 Delphi 中，我們可以透過延遲載入的方式匯入代理 DLL 的函式，並使用它們來間接呼叫 C++ 函式庫的功能。為了簡化 DLL 的使用，我們可以進一步建立 Delphi 包裝類別，提供更直覺的物件導向介面，讓 Delphi 開發者更容易使用 C++ 函式庫。

在Delphi中使用C++函式庫的挑戰與解決方案

在軟體開發過程中，經常需要使用外部函式庫來擴充應用程式的功能。然而，當Delphi應用程式需要使用C++函式庫時，卻會遇到許多挑戰。C++是一種功能強大的語言，但其編譯後的目標檔案與Delphi的目標檔案並不相容。本文將探討這些挑戰，並提出一個實用的解決方案。

C++函式庫的使用挑戰

C++是一種高階語言，支援物件、例外處理、字串等高階功能。這些功能都被編譯到C++目標檔案中，但Delphi並不知道如何處理這些功能。例如，C++物件與Delphi物件並不相同，Delphi不知道如何呼叫C++物件的方法、處理其繼承鏈、建立和銷毀物件等。

使用代理DLL的解決方案

為瞭解決這個問題，我們可以使用一個代理DLL。這個DLL需要在與C++函式庫相同的開發環境中建立，通常是Visual Studio。代理DLL提供了一個簡單的介面，讓Delphi可以呼叫C++函式庫的功能。

建立代理DLL

首先，我們需要建立一個簡單的C++函式庫。這個函式庫包含一個名為CppClass的類別，具有建構函式、解構函式、setData方法和getSquare方法。

// CppClass.h
#pragma once
class CppClass
{
    int data;
public:
    CppClass();
    ~CppClass();
    void setData(int);
    int getSquare();
};

// CppClass.cpp
void CppClass::setData(int value)
{
    data = value;
}

int CppClass::getSquare()
{
    return data * data;
}

接下來，我們需要建立一個代理DLL。這個DLL包含一個名為StaticLibWrapper.cpp的檔案，用於實作代理功能。

// StaticLibWrapper.cpp
#include "stdafx.h"
#include "CppClass.h"

#define EXPORT comment(linker, "/EXPORT:" __FUNCTION__ "=" __FUNCDNAME__)

class IndexAllocator
{
    // ...
};

IndexAllocator allocator;

extern "C"
{
    int CreateCppClass()
    {
        CppClass* obj = new CppClass();
        return allocator.Allocate(obj);
    }

    void DestroyCppClass(int index)
    {
        CppClass* obj = allocator.GetObject(index);
        if (obj != nullptr)
        {
            delete obj;
            allocator.Release(index);
        }
    }

    void SetData(int index, int value)
    {
        CppClass* obj = allocator.GetObject(index);
        if (obj != nullptr)
        {
            obj->setData(value);
        }
    }

    int GetSquare(int index)
    {
        CppClass* obj = allocator.GetObject(index);
        if (obj != nullptr)
        {
            return obj->getSquare();
        }
        return 0;
    }
}

在Delphi中使用代理DLL

在Delphi中，我們可以宣告代理DLL中的函式，並使用它們來呼叫C++函式庫的功能。

function CreateCppClass: Integer; stdcall; external 'DllLib1.dll';
procedure DestroyCppClass(index: Integer); stdcall; external 'DllLib1.dll';
procedure SetData(index: Integer; value: Integer); stdcall; external 'DllLib1.dll';
function GetSquare(index: Integer): Integer; stdcall; external 'DllLib1.dll';

var
  index: Integer;
begin
  index := CreateCppClass;
  try
    SetData(index, 5);
    Writeln(GetSquare(index)); // 輸出25
  finally
    DestroyCppClass(index);
  end;
end.

內容解密：

上述範例展示瞭如何使用代理DLL來解決Delphi中使用C++函式庫的問題。首先，我們建立了一個簡單的C++函式庫，包含一個名為CppClass的類別。然後，我們建立了一個代理DLL，用於實作代理功能。在Delphi中，我們宣告了代理DLL中的函式，並使用它們來呼叫C++函式庫的功能。最終，我們成功地在Delphi中使用了C++函式庫的功能。

在Delphi中使用C++函式庫

匯入DLL函式

要在Delphi程式中使用DLL，首先必須匯入DLL中的函式。有多種方法可以實作這一點，例如靜態連結、動態連結和延遲載入的靜態連結。以下範例採用最現代化的方法——延遲載入。

CppClassImport單元

兩個示範程式（CppClassImportDemo和CppClassWrapperDemo）都使用CppClassImport單元將DLL函式匯入Delphi程式。以下程式碼片段顯示了該單元的介面部分，告訴Delphi編譯器應該匯入DLL中的哪些函式，以及它們具有哪些引數。

const
  CPP_CLASS_LIB = 'DllLib1.dll';

function Initialize: integer; stdcall; external CPP_CLASS_LIB name 'Initialize' delayed;
function Finalize: integer; stdcall; external CPP_CLASS_LIB name 'Finalize' delayed;
function CreateCppClass(var index: integer): integer; stdcall; external CPP_CLASS_LIB name 'CreateCppClass' delayed;
function DestroyCppClass(index: integer): integer; stdcall; external CPP_CLASS_LIB name 'DestroyCppClass' delayed;
function CppClass_setValue(index: integer; value: integer): integer; stdcall; external CPP_CLASS_LIB name 'CppClass_setValue' delayed;
function CppClass_getSquare(index: integer; var value: integer): integer; stdcall; external CPP_CLASS_LIB name 'CppClass_getSquare' delayed;

內容解密：

• const CPP_CLASS_LIB = 'DllLib1.dll'; 定義了DLL檔案的名稱。
• stdcall 指定了函式呼叫應該使用的呼叫慣例（calling convention）。
• external CPP_CLASS_LIB name '函式名稱' 指定了要從DLL中匯入的函式名稱。
• delayed 關鍵字指定了程式在啟動時不嘗試在DLL中尋找此函式，而是在程式碼呼叫該函式時才進行尋找。

實作部分

CppClassImport單元的實作部分（未在此顯示）展示瞭如何捕捉延遲載入期間發生的錯誤，即當呼叫任何匯入函式的程式碼嘗試在DLL中尋找該函式時。

常見錯誤排除

• 如果在呼叫延遲載入函式時出現「External exception C06D007F」異常，很可能是因為在C++或Delphi中輸入了錯誤的名稱。可以使用Delphi自帶的tdump工具檢查DLL匯出的名稱。語法是tdump -d <dll_name.dll>。
• 如果在呼叫DLL函式時程式當機，請檢查雙方是否正確定義了呼叫慣例。同時，檢查所有引數在雙方是否具有正確的型別，以及var引數是否在雙方都被標記為如此。

使用Plantuml圖表展示DLL載入過程

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title Delphi 使用 C++ 函式庫整合方案

package "物件導向程式設計" {
    package "核心概念" {
        component [類別 Class] as class
        component [物件 Object] as object
        component [屬性 Attribute] as attr
        component [方法 Method] as method
    }

    package "三大特性" {
        component [封裝
Encapsulation] as encap
        component [繼承
Inheritance] as inherit
        component [多型
Polymorphism] as poly
    }

    package "設計原則" {
        component [SOLID] as solid
        component [DRY] as dry
        component [KISS] as kiss
    }
}

class --> object : 實例化
object --> attr : 資料
object --> method : 行為
class --> encap : 隱藏內部
class --> inherit : 擴展功能
inherit --> poly : 覆寫方法
solid --> dry : 設計模式

note right of solid
  S: 單一職責
  O: 開放封閉
  L: 里氏替換
  I: 介面隔離
  D: 依賴反轉
end note

@enduml

圖表翻譯： 此圖表展示了Delphi程式使用延遲載入方式載入DLL的過程。首先檢查DLL是否存在，若存在則進行延遲載入；若不存在則報告錯誤。成功載入後呼叫DLL函式，若呼叫成功則繼續執行程式，若失敗則進行錯誤處理。

使用外部函式庫

在應用程式中包含外部函式庫的原因有很多，例如函式庫可能涵蓋了你不熟悉的主題，或者實作了一些特定的演算法，其效能優於你自己實作或 Delphi 編譯器的效能。本章將探討如何在 Delphi 中使用外部函式庫，包括如何連結 C 和 C++ 程式碼。

為什麼使用外部函式庫？

使用外部函式庫的主要原因包括：

• 函式庫可能涵蓋了你不熟悉的主題或領域。
• 函式庫可能實作了一些特定的演算法，其效能優於你自己實作或 Delphi 編譯器的效能。

FastMath 函式庫

FastMath 是一個 Delphi 函式庫，實作了快速的向量和矩陣運算。該函式庫使用組合語言和 Pascal 語言來提供最佳的效能。我們將探討如何使用 FastMath 函式庫，以及如何撰寫一個統一的前端來涵蓋所有平台特定的實作。

物件檔型別

在連結 C 程式碼與 Delphi 時，物件檔是非常重要的。我們將探討常見的物件檔型別，包括 COFF、OMF 和 ELF 等。

連結 C 物件檔

本章將提供一個詳細的範例，示範如何連結 C 物件檔與 Delphi 程式碼。我們將探討如何替換標準的 Microsoft C 函式庫（msvcrt），以及如何撰寫 Delphi 函式來滿足物件檔的需求。

範例程式碼

procedure TfrmCppClassDemo.FormCreate(Sender: TObject);
begin
  if Initialize <> 0 then
    ListBox1.Items.Add('Initialize failed')
end;

procedure TfrmCppClassDemo.FormDestroy(Sender: TObject);
begin
  if Finalize <> 0 then
    ListBox1.Items.Add('Finalize failed');
end;

內容解密：

此段程式碼是在表單建立和銷毀時呼叫 DLL 中的 Initialize 和 Finalize 函式，以進行初始化和清理工作。如果這些函式的回傳值不是 0，表示操作失敗，會在列表框中新增錯誤訊息。

使用 C++ 函式庫

由於 C++ 語言與 Delphi 的 ABI（應用程式二進位制介面）不相容，因此無法直接在 Delphi 中使用 C++ 函式庫。我們將探討如何透過代理 DLL 來間接使用 C++ 函式庫。

建立代理 DLL

首先，我們需要建立一個代理 DLL，用於封裝 C++ 函式庫的介面。這個 DLL 將提供一個與 C++ 函式庫相同的介面，但使用 Delphi 可以理解的 ABI。

使用代理 DLL

一旦我們有了代理 DLL，就可以在 Delphi 中使用它。我們將探討兩種不同的方式來使用代理 DLL：直接呼叫 DLL 函式和使用包裝類別。

範例程式碼

procedure TfrmCppClassDemo.btnImportLibClick(Sender: TObject);
var
  idxClass: Integer;
  value: Integer;
begin
  if CreateCppClass(idxClass) <> 0 then
    ListBox1.Items.Add('CreateCppClass failed')
  else if CppClass_setValue(idxClass, SpinEdit1.Value) <> 0 then
    ListBox1.Items.Add('CppClass_setValue failed')
  else if CppClass_getSquare(idxClass, value) <> 0 then
    ListBox1.Items.Add('CppClass_getSquare failed')
  else begin
    ListBox1.Items.Add(Format('square(%d) = %d', [SpinEdit1.Value, value]));
    if DestroyCppClass(idxClass) <> 0 then
      ListBox1.Items.Add('DestroyCppClass failed')
  end;
end;

內容解密：

此段程式碼是在按鈕點選時執行的，它使用 DLL 中的函式來建立一個 C++ 物件，設定其值，呼叫其 getSquare 方法，並銷毀該物件。如果任何一個步驟失敗，會在列表框中新增錯誤訊息。

包裝類別

為了簡化代理 DLL 的使用，我們可以建立一個包裝類別，封裝代理 DLL 的介面。這個類別將提供一個更 Delphi 風格的介面，讓我們可以使用 C++ 函式庫就像使用 Delphi 類別一樣。

範例程式碼

type
  TCppClass = class
  strict private
    FIndex: integer;
  public
    class procedure InitializeWrapper;
    class procedure FinalizeWrapper;
    constructor Create;
    destructor Destroy; override;
    procedure SetValue(value: integer);
    function GetSquare: integer;
  end;

constructor TCppClass.Create;
begin
  inherited Create;
  if CreateCppClass(FIndex) <> 0 then
    raise Exception.Create('CreateCppClass failed');
end;

function TCppClass.GetSquare: integer;
begin
  if CppClass_getSquare(FIndex, Result) <> 0 then
    raise Exception.Create('CppClass_getSquare failed');
end;

內容解密：

此段程式碼定義了一個 TCppClass 類別，用於包裝 C++ 物件的介面。建構子會呼叫 CreateCppClass 來建立 C++ 物件，並儲存其索引。GetSquare 方法會呼叫 CppClass_getSquare 來取得 C++ 物件的平方值。如果任何一個步驟失敗，會引發例外。

效能最佳實踐回顧與進階技巧

本章將回顧全書的重要概念，並提供額外的實用技巧與技術建議。這些內容旨在幫助讀者鞏固所學知識，並進一步提升程式的效能。

關於效能最佳化

效能是軟體開發中的關鍵因素。良好的效能意味著程式能夠快速回應使用者操作、迅速完成任務，或是能夠處理大量的資料。最佳化效能的第一步是瞭解程式的瓶頸所在。

演算法複雜度分析

演算法的複雜度直接影響程式的效能。常見的複雜度包括：

• O(1)：常數時間複雜度，代表運算時間不隨資料量增加而改變，例如陣列元素的存取。
• O(log n)：對數時間複雜度，代表運算時間隨資料量增加而緩慢增加，例如在排序陣列中進行二分搜尋。
• O(n)：線性時間複雜度，代表運算時間與資料量成正比，例如在未排序的串列中進行搜尋。
• O(n log n)：線性對數時間複雜度，高效的排序演算法通常具有此複雜度。
• O(n^2)：平方時間複雜度，代表運算時間隨資料量增加而快速增加，例如簡單的排序演算法如氣泡排序。

瞭解不同演算法的複雜度有助於選擇合適的資料結構和演算法，從而提升程式效能。

程式碼效能測量

測量程式碼的執行時間是最佳化效能的關鍵步驟。Delphi 提供了 TStopwatch 類別，用於測量程式碼的執行時間。此外，還可以使用專業的效能分析工具（Profiler）來找出程式的瓶頸。

常見的效能分析工具

• AsmProfiler：一款開源的取樣式效能分析工具。
• Sampling Profiler：另一款開源的取樣式效能分析工具。
• AQTime：一款商業化的效能分析工具，提供詳細的效能分析報告。
• Nexus Quality Suite：一款綜合性的軟體品質管理工具，包含效能分析功能。

最佳化演算法

最佳化演算法通常比最佳化程式碼本身更有效。例如，將一個 O(n^2) 的演算法改為 O(n log n) 可以顯著提升效能，即使新的演算法每一步的執行時間更長。

提升使用者介面回應速度

使用者介面（UI）的回應速度直接影響使用者經驗。常見的最佳化方法包括：

• 減少 UI 更新次數：使用 BeginUpdate 和 EndUpdate 方法來批次更新 UI 元件。
• 使用虛擬模式：對於大量資料，使用虛擬模式的 UI 元件，如 TVirtualStringTree，可以顯著提升效能。

Delphi 特有的最佳化技巧

Delphi 編譯器提供了一些特定的最佳化選項，可以進一步提升程式效能。此外，瞭解 Delphi 的記憶體管理機制對於編寫高效程式碼至關重要。

多執行緒程式設計

多執行緒程式設計可以充分利用多核心處理器的效能，但也帶來了同步和競爭條件等挑戰。Delphi 提供了豐富的多執行緒支援，包括 TThread 類別和平行模式函式庫（Parallel Patterns Library）。

外部函式庫的使用

在某些情況下，使用外部函式庫可以提升程式效能。Delphi 允許匯入其他語言編寫的函式庫，但需要注意介面相容性和呼叫約定等問題。