C++ 回调接口设计和二进制兼容详细

1、疑问

我们在开发一个视频编辑 SDK。SDK 的回调接口设计成 C 风格，结构中放着一些函数指针

struct SKYMEDIA_API SkyEncodingCallback final {
    // PS: 为达到完全的二进制兼容，这里还应该有个 structSize 的字段。见最后一小节
    void *userData = nullptr;
    bool (*shouldBeCancelled)(void *userData) = nullptr;
    void (*onProgress)(void *userData, double currentTime, double totalTime) = nullptr;
    void (*onFinish)(void *userData) = nullptr;
    void (*onError)(void *userData, SkyError error) = nullptr;
};

bool exportVideo(const char *filePath, const SkyEncodingParams &params, const SkyEncodingCallback &callback);

有同事乍一看，会有疑问，既然对外接口是 C++，为什么不直接使用 C++ 的虚函数？

struct SkyEncodingCallback {
    virtual ~SkyEncodingCallback() {}
    virtual bool shouldBeCancelled() = nullptr;
    virtual void onProgress(double currentTime, double totalTime) = nullptr;
    virtual void onFinish() = nullptr;
    virtual void onError(SkyError error) = nullptr;
};

bool exportVideo(const char *filePath, const SkyEncodingParams &params, SkyEncodingCallback *callback);

使用 C 风格的回调设计，主要考虑两个原因

• 更容易做到库接口的二进制兼容。
• 更容易跟 C 对应，方便绑定到各种不同的语言实现。(比如 Flutter 的封装会使用 ffi 直接调用 C)
  

这里不讨论语言绑定，只讨论接口的二进制兼容。

2、二进制兼容

编译好的 C/C++ 库，会提供一些头文件和动态连接库（或者静态库）。主程序（或其他库）使用头文件调用接口，之后去链接库（动态或静态链接）。

假如主程序在编译时，看到的头文件，跟库代码不匹配，就会可能产生了兼容问题。为方便描述，我们假设

• 主程序为 skyeditor.exe

• 库为 skymedia.dll

• 库的头文件为 skymedia.h


有些人会奇怪，既然 skymedia.h 和 skymedia.dll 是一起提供的，自然会匹配。怎么可能出现头文件跟库不一致呢？

3、编译环境

首先注意到，skymedia.dll 和 skyeditor.exe 是分开编译的。库的开发者跟主程序的开发者有可能会不同，或者编译时间上会错开。

于是就可能出现，编译 skymedia.dll 和 skyeditor.exe 所用到的编译器和编译选项不一致。

比如 skymedia.dll 用了编译器 A 预先编译，而编译 skyeditor.exe 时用了编译器 B。同一个标准库类，比如 std::string，虽然是相同的名字，但编译器 A 和编译器 B，自带 std::string 的实现却有可能不同。假如 skymedia.h 出现了一些 STL 的类，就算 skymedia.h 源码完全一样，但在编译 skymedia.dll 和 编译 skyeditor.exe 时，编码器对头文件本身的解释却会有不同。

于是在编译 skyeditor.exe 时，看到的头文件 skymedia.h，就跟 skymedia.dll 不匹配了。

C++ 并没有规定一致的二进制标准。对标准库，以及某些 C++ 语法的支持，不同的编译器是可以不同的。有时就算是相同名字的编译器，只是升级了版本，编译出来的二进制布局有可能不同。C++ 所谓的跨平台，只是源码上的跨平台，并不是二进制级别的跨平台。

假如幸运的话，不同编译器编译出来的链接符号不一样，在链接阶段能即时发现问题。但假如链接符号一致，但二进制布局不一致，到执行阶段才会出问题，就难以发现了。

另外就算是编译器和标准库完全一致，因编译选项不同也有可能引起不匹配。比如

struct Test {
    int a;
    int b;
#ifdef CONFIG_DEBUG
    int64_t debugTimestamp;
#endif
};

假如编译 skymedia.dll 和编译 skyeditor.exe 时，对宏 CONFIG_DEBUG 的定义不同。也会引起头文件和库不匹配。

将编译器和编译选项，统称编译环境。因编译环境的不同，就有可能产生二进制兼容问题。

4、动态链接库

现在假设编译器和编译选项，在编译 skymedia.dll 和 skyeditor.exe 时完全一样，仍然有可能产生不兼容。

就是 skymedia.dll 动态升级了。

比如 skyeditor.exe 现在编译好了，已发布了出去。skymedia.dll 出现了 bug，或者更新了功能，需要让用户单独下载更新 skymedia.dll。

或者 skyeditor.exe 同时依赖了 skymedia.dll 和 plugin.dll。而 plugin.dll 也依赖了 skymedia.dll。但 skyeditor.exe 和 plugin.dll 所用到的 skymedia.dll 的版本不一致。于是就可能出现 plugin.dll 所用的 skymedia.dll 版本，被 skymedia.exe 无意中被覆盖掉了。

一个程序依赖的组件越多，独立开发的团队就越多，也就越难以协调同步每个团队所用的库（以及版本）。能预先发现版本不一致自然最好，但有时明明规定好开发准则，但还是可能出现失误，不一致就偷偷溜进来了。

动态库跟静态不同，动态库并不用强制 skyeditor.exe 重新编译，也可以单独更新。于是 skyeditor.exe 在编译时，看到的 skymedia.h 头文件，跟新版本的 skymedia.dll 有可能不同。

假设在更新 skymedia.dll 时，修改了 skymedia.h 的结构。就可能引起了二进制兼容问题。

单独更新了动态库，也有可能产生二进制兼容问题。

5、C++ 风格，虚函数接口例子

现在我们来实际分析一下代码。假如旧版 skymedia.dll 接口使用虚函数，会产生什么问题。类似这样子

// old skymedia.h
struct SkyCallback {
    virtual ~SkyCallback() {}
    virtual void callback0() = 0;
};

// old skymedia.dll
void sky_dosomthing(SkyCallback* callback) {
    // 做一些事情
    callback->callback0();
    // 做一些事情
}

而 skymedia.exe 在编译时候，所用到的是旧版 skymedia.dll，调用如下

class MyCallback : public SkyCallback {
    virtual ~MyCallback() {}
    virtual void callback0() {
        // 做一些事情
    }
    
    virtual void onKeyboard() {
        // 做一些事情
    }
};

MyCallback* callback = new MyCallback();
// 做一些事情
void sky_dosomthing(SkyCallback* callback);

现在更新了 skymedia.dll，新版本的 SkyCallback 添加了一个接口

// skymedia.h
struct SkyCallback {
    virtual ~SkyCallback() {}
    virtual void callback0() = 0;
    virtual void callback1() = 0; // 新加
};

// skymedia.dll
void sky_dosomthing(SkyCallback* callback) {
    // 做一些事情
    callback->callback0();
    // 做一些事情
    callback->callback1();
}

注意 skymedia.exe 这时并没有被重新编译（因为只单独更新了 dll），但它动态链接了新的 sky_dosomthing。于是就出现了用旧的 MyCallback 去调用新版本的 sky_dosomthing。而新版本的 sky_dosomthing 代码中，又调用了 MyCallback 的 callback1，但旧版的 MyCallback 是没有这个 callback1的。C++ 没有类似 OC 的反射，没有很好方法去动态判断 callback1 是否存在。

于是就出现问题了，调用之后，就不知执行到哪里了。假如这里的代码只偶然被执行，问题就会隐藏得很深。

PS: C++ 常见的虚函数实现，调用虚函数会查表。调用新版本的 callback1，相当于调用表格第二项（或第三项？）的函数。对于 skymedia.exe 来说，表格第二项对应于 onKeyboard。于是只是更新了 dll，可能就莫名其妙地触发了 onKeyboard了。

在这种虚函数的设计下，要完全二进制兼容，会比较麻烦。常见的做法是，SkyCallback 每加一个接口，就定义新的名字，保持 SkyCallback 接口完全不变。于是随着时间推移，要保证二进制兼容，就产生一系列的 SkyCallback、SkyCallback2、SkyCallback3。用户在更新库版本后，要用新功能，也相应使用新名字的接口类。这种做法，我个人并不喜欢。

PS: 作为对比，在 C 风格的回调，如何做二进制兼容，参考最后一小节。

6、进一步讨论二进制兼容

要完全做到二进制兼容，是一件很麻烦的事情。是否值得花力气，要看具体场合。假设编译环境可控，还能做到一旦库被修改，强制使用库的所有程序都重新编译。有这样的理想环境，就不一定要达到二进制兼容。

但我们不能假设有这样理想的环境，设想一些情况

多个不同的库，同时使用了 skymedia.dll。假如 skymedia.dll 能做到二进制兼容，某个库就可以独自升级而不用跟其他团队协调。不然难以推动其他团队一起升级，所用的库就被锁死在某个版本。
发布程序后，主程序不变，让用户独立升级 skymedia.dll，比如 fix bug 或者更新功能。（某些大型程序，会使用 dll 作为插件机制。能独立升级 dll，也就能独立升级插件）
用于调试。比如只在某个测试（更只在某个用户）的机器上出现问题，但不知道崩溃在那里。这时可以本地编译一个带调试信息的本地 dll，让测试（或用户）替换掉原来的 dll。崩溃之后就有出现一些调试信息。
库的对外接口，需要仔细考虑。而库的内部实现，肯定是一起编译的，就不需要那样讲究。SkyMedia C++ API 考虑到二进制兼容，做了一些取舍，但还没有做到完全的二进制兼容（要完全做到，还是有点麻烦的），只是尽量往这目标靠近。

不出现任何 STL 的类。（比如不使用 std::string)。
impl 手法，复杂的类，内部只包括一个 void*，隐藏掉内部全部实现。
接口不使用任何实现上不标准 C++ 特性，比如虚函数，多重继承等等。（这里不标准特性，是指不同的编译器，编译出来的二进制布局可能不一致）。
有些人可能还是问，既然 C++ 的接口这样麻烦，为什么还是提供 C++ 的接口，而不是 C 的接口。

确实，有些库就算内部采用 C++ 开发，也是导出纯 C 接口。采用 C++ 接口的，主要是考虑到纯 C 的接口用起来麻烦。

比如 C++ API，可以类似这样用

SkyResource res("/helloworld/test.mp4");
SkyVideoTrack *track = timeline->appendVideoTrack();
track->appendClip(res, SkyTimeRange(0, 10));

假如是纯 C API, 就类似这样了

SkyResource *res = SkyResource_create("/helloworld/test.mp4");
SkyVideoTrack *track = SkyTimeline_appendVideoTrack(timeline);
SkyVideoTrack_appendClip(res, SkyTimeRange(0, 10));
SkyResource_release(res);

大量写这种纯 C 代码，很繁琐，也容易忘记初始化，和释放资源。

7、C 风格的回调，如何做二进制兼容

最后，作为补充，我们回到最开始的问题。类似这种 C 风格的结构，如何做二进制兼容呢？比如下面结构

struct SkyCallback {
    void *userData = nullptr;
    void (*callback0)(void *userData) = nullptr;
};

这种结构，就跟我们最开始的 SkyEncodingCallback 很像了。

要做到完全二进制兼容，最初的 SkyCallback必须稍微改一下的，预埋一个 structSize字段，初始化成结构的大小。

// old skymedia.h
struct SkyCallback {
    int structSize = sizeof(SkyCallback); // 增加这个字段
    void *userData = nullptr;
    void (*callback0)(void *userData) = nullptr;
};

// old skymedia.dll
void sky_dosomthing(SkyCallback callback) {
    if (callback.callback0) {
        callback.callback0(callback.userData);
    }
}

skyeditor.exe 这样调用

// skyeditor.exe
void my_callback0(void* userData) {
  // 做一些事情
}

SkyCallback callback;
callback.userData = xxx;
callback.callback0 = callback0;
sky_dosomthing(callback);

现在 skymedia.dll 更新版本，为保证兼容，可以写成

// new skymedia.h
struct SkyCallback {
    int structSize = sizeof(SkyCallback);
    void *userData = nullptr;
    void (*callback0)(void *userData) = nullptr;
    void (*callback1)(void *userData) = nullptr;
};

// new skymedia.dll
void sky_dosomthing(SkyCallback callback) {
    if (callback.callback0) {
        callback.callback0(callback.userData);
    }
    
    // 做一些事情
  
    // 兼容旧版本
    if (offsetof(SkyCallback, callback1) + sizeof(callback.callback1) <= callback.structSize) {
        if (callback.callback1) {
            callback.callback1(callback.userData);
        }
    }
}

注意 sky_dosomthing 中那个对 callback1 的判断。

当 skyeditor.exe 使用旧版本的 skymedia.dll 编译时，SkyCallback 是没有 callback1 字段的结构，structSize 的值也相应小了。于是旧版的 skyeditor.exe 调用了新的 sky_dosomthing，那个判断就不会成立， callback1 的调用就不会被触发。

structSize 放在最前面，而新加的字段 callback1 放在结构的最后。通过 structSize 可以方便地判断新增的字段是否存在。这样自然就兼容旧版本，SkyCallback` 的结构名字也不用修改。

目前 SkyEncodingCallback，还没有添加 structSize 字段。主要是目前我们二进制兼容的需求还不算紧急，但在 API 设计上，已经留了条后路，要改起来也很容易，在源码级别也是完全兼容的。假如一开始就采用 C++ 的虚函数接口，以后就难以修改了。

类似这种结构当中添加 structSize 字段的设计，在 C 接口中，还是比较常见的。比如 Win32 API，就常见这种用法。

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最后

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