Dynamic Link Library

Mở đầu

Thư viện liên kết động, đúng như tên gọi của nó, là một thư viện cho phép các ứng dụng có thể liên kết đến và sử dụng nó. Nó được xem là một tổ hợp các hàm và dữ liệu mà có thể được sử dụng bởi nhiều ứng dụng khác nhau ở cùng một thời điểm. Ví dụ: thư viện user32.dll hoặc kernel32.dll là các thư viện liên kết động mà mỗi ứng dụng Windows đều phải dùng đến.
Khi đã được viết và đóng gói trong một DLL, một hàm có thể được sử dụng ở bất cứ ứng dụng nào dưới dạng mã máy của nó mà không phải quan tâm đến mã nguồn nó được viết chi tiết ra sao. Với các ứng dụng trước kia, ta có thể đính kèm file mã nguồn và sử dụng các hàm trong chương trình; tuy nhiên, giả sử như để có thể thao tác với máy in, in một nội dung ta cần gọi hàm print() và ta đã có mã nguồn của hàm print này. Giả sử như không có DLL, thì bất cứ ứng dụng nào muốn sử dụng hàm print() sẽ bao gồm cả hàm này vào trong mã nguồn: từ chương trình Word, Excel, Internet Explorer,... như vậy trong hệ thống sẽ có rất nhiều bản sao của hàm print() này, làm cho dung lượng để chứa các chương trình tăng lên. Ngoài ra, khi phần cứng thay đổi, ta lại phải thay đổi mã nguồn của hàm print() để nó hoạt động đúng (nếu cần), việc này đẫn tới việc thay đổi theo dây chuyền đến các ứng dụng, gây ra rất nhiều khó khăn. Sau đây ta sẽ tìm hiểu chi tiết về ưu nhược điểm của việc sử dụng thư viện liên kết động. Các thư viện liên kết động là một thành phần không thể thiếu tạo nên hệ điều hành Windows. Ở đó, việc quản lý, trao đổi với phần cứng hay thiết bị ngoại vi đều thông qua các hàm có sẵn trong windows mà ta hay gọi là Windows API. Thay vì ta phải đưa lệnh điều khiển cho màn hình vẽ lên một cửa sổ giao diện như các ứng dụng, thì ta chỉ cần gọi một hàm trong một file DLL nào đó, hệ thống sẽ đảm bảo kết quả như ý muốn.

Giảm không gian sử dụng của bộ nhớ

Hàm và dữ liệu trong các DLL được chia sẻ bởi các ứng dụng dùng nó. Như trong ví dụ ở trên, các ứng dụng Winword, Microsoft Excel, Internet Explorer sẽ dùng chung một hàm print() đã được biên dịch thành mã máy và để trong một DLL nào đó, mà không cần phải bao gồm toàn bộ mã nguồn của hàm. Bên cạnh đó, ta cũng có thể giảm được dung lượng bộ nhớ của chương trình tùy vào cách dùng các hàm DLL (Run-time hay Load-time, sẽ được trình bày sau): ứng dụng của ta sẽ chỉ nạp các hàm này khi nào dùng đến.
Mã trong DLL nằm trong khu vực chỉ cho đọc (read-only) và được nạp vào các trang nhớ đánh dấu read-only. Nó cho phép hệ thống ánh xạ DLL vào trong không gian địa chỉ nhớ của các tiến trình sử dụng nó. Và như vậy, DLL được nạp chỉ một lần, và nếu một tiến trình yêu cầu sử dụng nó, hệ điều hành chỉ việc ánh xạ DLL tới không gian địa chỉ của ứng dụng gọi DLL.

Giảm Swapping (thay trang bộ nhớ chính)

Ta tưởng tượng có hai tiến trình sử dụng cùng một DLL, một tiến trình kết thúc công việc của nó và thoát ra. Nhưng DLL sẽ không gỡ bỏ ra khỏi bộ nhớ vì DLL quản lý thời gian tồn tại của nó bằng cách giữ một bộ đếm tham khảo cho các tiến trình sử dụng nó. Mỗi khi có một tiến trình nào đó yêu cầu sử dụng DLL, bộ đếm tham khảo sẽ tăng giá trị của nó lên 1; còn khi có một tiến trình gỡ bỏ không sử dụng nữa thì bộ đếm lại giảm đi 1. DLL sẽ tự động xóa bỏ ra khỏi bộ nhớ chừng nào bộ đếm tham khảo trở về 0, trạng thái cho biết không còn có tiến trình nào sử dụng DLL nữa.
Bây giờ giả sử có một tiến trình bắt đầu chạy và yêu cầu hệ thống nạp một DLL hiện đang được dùng bởi một ứng dụng đã chạy trước đó. Chuyện gì sẽ xảy ra? Liệu hệ thống có nạp DLL một lần nữa không? Hiển nhiên là không, vì DLL được định nghĩa ra để có thể dùng chung giữa các ứng dụng khác nhau. Thành phần đã nạp DLL có tất cả các hàm và dữ liệu của nó trong bộ nhớ và hệ thống sẽ chỉ phải ánh xạ chúng tới không gian địa chỉ của tiến trình mới cho chúng hoạt động. Nó liên quan đến việc đọc các hàm và dữ liệu DLL từ trên đĩa.

Có thể đóng gói và đưa vào chương trình khác

Khi đã xây dựng được một DLL với các chức năng hợp lý, ta có thể sử dụng nó trong bất cứ ứng dụng nào mà ta cảm thấy thích hợp. Ví dụ trong một ứng dụng nhỏ, ta có tập hợp các hàm chuyển đổi giá trị từ String sang ngày tháng và đóng gói nó vào trong một DLL. Khi đó, ở một ứng dụng khác, khi có nhu cầu chuyển đổi như trên, thì ta sẽ không phải viết lại các hàm hoặc đính kèm mã nguồn của các hàm đó vào chương trình đó nữa mà sử dụng trực tiếp DLL mà ta đã biên dịch.

Tạo ra khả năng tương tác giữa các ngôn ngữ lập trình

Một ứng dụng có thể sử dụng các DLL viết bằng bất cứ ngôn ngữ lập trình nào. Các nhà phát triển phần mềm chỉ việc đóng gói các module của mình vào trong một DLL với ngôn ngữ ưa thích, sau đó module này có thể được sử dụng trong các ứng dụng viết bằng C++ hay Visual Basic.
Mặc dù hầu hết các ngôn ngữ lập trình đều hỗ trợ việc sử dụng thư viện liên kết động, nhưng lại có rất ít ngôn ngữ lập trình cho phép tạo ra chúng. Với việc sử dụng DLL, người ta có thể tập trung nhiều hơn vào các xử lý logic của hệ thống, mà không cần phải quan tâm đến những xử lý thông thường, mà nếu phát triển từ đầu, sẽ chi phí rất nhiều thời gian và công sức. Các công việc này đã được thực hiện bởi một người nào đó, và đóng gói dưới dạng các DLL.

Dễ dàng đưa ra sự hỗ trợ sau khi đã chuyển giao ứng dụng cho khách hàng

Nếu như ta phát hiện có một số thành phần trong ứng dụng cần phải được thay đổi và sự thay đổi này cần phải được cập nhật cho khách hàng. Đóng gói và phân phối lại toàn bộ sản phẩm đã bán cho tất cả các khách hàng của chúng ta là một công việc hết sức khó khăn. Tuy nhiên ta có thể tránh được điều này nếu như ứng dụng của ta được thiết kế tốt thành các module và đóng gói chúng trong các DLL. Khi một module nào đó cần thay đổi, ta chỉ việc đóng gói lại DLL chứa module đó và gửi tới khách hàng, cho họ cập nhật.

DLL Hell

Là khó khăn lớn nhất thỉnh thoảng gặp khi dùng DLL. Ta có thể gặp những thông báo lỗi dạng như:
The ordinal abc could not be located in the dynamic-link library xyz.dll
hoặc khi cài đặt một ứng dụng mới, một số chương trình khác đang bình thường bỗng nhiên bị trục trặc hoặc thậm chí không thể nạp lên để chạy được.
Đó là các dấu hiệu của DLL Hell trên máy tính của ta. Nguyên nhân cơ bản của sự cố trên là do chương trình cài đặt không kiểm tra phiên bản của các DLL trước khi sao lưu nó vào trong thư mục hệ thống. Khi một DLL mới thay thế một DLL cũ có sẵn, và nếu DLL mới này có một số thay đổi lớn làm cho nó không thể tương thích ngược lại với các chương trình sử dụng phiên bản cũ, nó sẽ làm rối loạn chương trình đó.

Các loại liên kết động

Liên kết động có hai dạng phụ thuộc vào cách nhúng thông tin vào trong file thực thi. Đó là liên kết không tường minh và liên kết tường minh (Implicit Linking và Explicit Linking).

Liên kết không tường minh (Implicit Linking)

Liên kết không tường minh hay liên kết ở thời điểm nạp (Load-time dynamic Linking) diễn ra ở thời điểm biên dịch, khi ứng dụng tạo một tham chiếu tới hàm DLL được export. Tại thời điểm mã nguồn của lời gọi đó được biên dịch, lời gọi hàm DLL dịch thành một hàm tham chiếu ngoài trong đối tượng mã. Để hiểu được tham chiếu ngoài này, ứng dụng phải liên kết với thư viện import (file có phần mở rộng là.LIB) đã được DLL tạo ra khi biên dịch.
Ví dụ khi xây dựng một ứng dụng Windows sử dụng công cụ VC6: bản thân các cửa sổ chương trình không tự có mà phải được vẽ ra bởi chương trình. Tuy nhiên, khi lập trình với Windows, ta không phải lo lắng viết mã nguồn cho công việc này, bởi bản thân Windows đã cung cấp API đóng gói trong các DLL, được đặt trong thư mục hệ thống của Windows. Để sử dụng được các hàm đã có trong các DLL này, ta phải liên kết nó với ứng dụng của ta, bằng cách sử dụng các thư viện import như đã trình bày. Khi đã khai báo các thư viện import, ta có thể sử dụng các hàm các DLL tương ứng như đối với các hàm cục bộ viết trong chương trình.
Thư viện import chỉ chứa các thông tin về thành phần được export từ DLL mà không có một dòng lệnh giúp trình biên tập (linker) xử lý các lời gọi hàm tới DLL. Khi trình biên tập tìm thấy thông tin về hàm export trong một file.lib, và giả sử như mã lệnh của hàm đó nằm trong một DLL có sẵn, thì để xử lý các tham chiếu đến hàm, trình biên tập phải nhúng thêm một số thông tin vào file thực thi cuối cùng, thành phần được dùng bởi bộ nạp hệ thống khi mà tiến trình khởi động.
Khi bộ nạp (loader) chuẩn bị chạy một chương trình, trong đó có chứa các liên kết động, thì nó sẽ sử dụng thông tin được nhúng (ở thời điểm biên dịch, như đã nói ở trên) vào file thực thi chương trình để xác định các thư viện yêu cầu. Nếu như nó không thể tìm được DLL, thì hệ thống sẽ chấm dứt tiến trình và hiện ra một hộp thoại để thông báo lỗi tương ứng. Ngược lại, hệ thống sẽ nạp DLL (nếu như trước đó nó chưa được nạp) và ánh xạ các module DLL (hàm và lớp) vào trong không gian địa chỉ của tiến trình. Chú ý rằng mỗi tiến trình đều có một không gian địa chỉ riêng, do vậy nên nhiều tiến trình có thể sử dụng chung một DLL. Khi đó địa chỉ hàm được gọi sẽ nằm trong không gian này.
Nếu như DLL nào đó có hàm Entry-point (như đã đề cập ở phần trước), hệ thống sẽ gọi hàm này. Tham số fdwReason sẽ có giá trị là DLL_PROCESS_ATTACH, xác định rằng DLL đang được gắn vào tiến trình. Nếu như giá trị trả về của hàm Entry-point không phải là TRUE, hệ thống sẽ bỏ dở việc nạp tiến trình và thông báo lỗi.
Khi tất cả các bước trên diễn ra mà không có lỗi nào, cuối cùng thì bộ nạp (loader) sẽ cho phép các mã thực thi của tiến trình có thể gọi hàm DLL bất cứ khi nào tham chiếu đến nó được tạo ra. Các thành phần của DLL sẽ được ánh xạ sang không gian địa chỉ của tiến trình khi tiến trình bắt đầu chạy và nó chỉ được nạp vào bộ nhớ khi nào cần thiết.