组件对象模型

COM+是微軟Windows 2000中，Microsoft Transaction Server的強化實作版本，除了提供基本的元件交易支援外，還提供了鬆散藕合式事件（loosely-coupled events）與物件共用池（object pooling）等應用程式伺服器的能力，成為Windows 2000開始在微軟平台上主要的應用程式伺服器平台，目前.NET Framework也提供了System.EnterpriseServices命名空間以支援COM+。

Distributed COM是依據遠程過程調用（RPC，Remote Procedure Call）的規範發展的可以在網路上通訊的COM元件，它將COM元件的能力擴及到網路上，但因為網路安全以及防火牆因素，DCOM無法廣泛的流行。

.NET Framework是新一代的Microsoft Windows應用程式開發平台。使用C#开发COM組件，首先創建类型为Class Library的项目，然后在项目的Property中进入Build页，对“Register for COM interop”选项打勾。打开AssemblyInfo.cs文件，设置[assembly: ComVisible(true)]，这样就可以生成.tlb文件。源程序示例如下：

using System.Runtime.InteropServices;
 
namespace MyNameSpace
{
    //可以通过//菜单“工具/guid 生成”。
    [Guid("298D881C-E2A3-4638-B872-73EADE25511C")]
    public interface AddComInterface
    {
         [DispId(1)]  
         int iadd(int a, int b);
         [DispId(2)]
         string stradd(string strA, string strB);
     }
     [Guid("2C5B7580-4038-4d90-BABD-8B83FCE5A467")]
     [ClassInterface(ClassInterfaceType.None)]
     public class AddComService : AddComInterface
     {
         public AddComService()
         {
          }
          public int iadd(int a, int b)
          {
                int c = a + b;
                return c;
          }
          public string stradd(string strA, string strB)
          {
                 return strA+strB ;
           }
       }
}

所有COM组件都实现了IUnknown接口，该接口暴露了引用计数实现的对象生命期管理与类型转换，以访问不同的预定义接口。

IUnknown接口以及基于IUnknown的定制接口包括一个指向虚函数表的指针，虚函数表中包含若干函数指针，分别指向接口所声明的函数实现。对于进程内的COM组件调用，其效率等同于C++的虚函数调用。

除了基于IUnknown的定制接口，COM也支持继承自IDispatch的dispatch接口，从而支持了用于OLE自动化的晚绑定。不能访问定制接口的编程语言（例如VBS）可以通过dispatch接口访问COM组件。

Windows API提供了C语言定义COM接口的方法：

#include <objbase.h>
#undef  INTERFACE
#define INTERFACE   IClassFactory

DECLARE_INTERFACE_(IClassFactory, IUnknown)
{
                // *** IUnknown methods ***
                STDMETHOD(QueryInterface) (THIS_
                                           REFIID riid,
                                           LPVOID FAR* ppvObj) PURE;
                STDMETHOD_(ULONG,AddRef) (THIS) PURE;
                STDMETHOD_(ULONG,Release) (THIS) PURE;
  
                // *** IClassFactory methods ***
                STDMETHOD(CreateInstance) (THIS_
                                          LPUNKNOWN pUnkOuter,
                                          REFIID riid,
                                          LPVOID FAR* ppvObject) PURE;
};
  
 //      等效的C++例子:
  
            struct FAR IClassFactory : public IUnknown
            {
                virtual HRESULT STDMETHODCALLTYPE QueryInterface(
                                                    IID FAR& riid,
                                                    LPVOID FAR* ppvObj) = 0;
                virtual HRESULT STDMETHODCALLTYPE AddRef(void) = 0;
                virtual HRESULT STDMETHODCALLTYPE Release(void) = 0;
                virtual HRESULT STDMETHODCALLTYPE CreateInstance(
                                                LPUNKNOWN pUnkOuter,
                                                IID FAR& riid,
                                                LPVOID FAR* ppvObject) = 0;
            };
 
 //      C语言宏扩展后是这样的:
  
            typedef struct IClassFactory
            {
                const struct IClassFactoryVtbl FAR* lpVtbl;
            } IClassFactory;
  
            typedef struct IClassFactoryVtbl IClassFactoryVtbl;
  
            struct IClassFactoryVtbl
            {
                HRESULT (STDMETHODCALLTYPE * QueryInterface) (
                                                    IClassFactory FAR* This,
                                                    IID FAR* riid,
                                                    LPVOID FAR* ppvObj) ;
                HRESULT (STDMETHODCALLTYPE * AddRef) (IClassFactory FAR* This) ;
                HRESULT (STDMETHODCALLTYPE * Release) (IClassFactory FAR* This) ;
                HRESULT (STDMETHODCALLTYPE * CreateInstance) (
                                                    IClassFactory FAR* This,
                                                    LPUNKNOWN pUnkOuter,
                                                    IID FAR* riid,
                                                    LPVOID FAR* ppvObject);
                HRESULT (STDMETHODCALLTYPE * LockServer) (
                                                    IClassFactory FAR* This,
                                                    BOOL fLock);
            };

COM类（coclass）是一个或多个接口的具体实现，它很类似面向对象程序设计语言中的类。类的GUID标识被称作类ID（CLSID）；或者programmatic identifier字符串（progid），因为VBS等脚本语言不能使用GUID，只能用字符串查找、使用COM组件。

COM对象不能被直接访问，只能通过COM接口来访问对象。COM也支持同一个接口的多个实现，因此客户程序运行时可以选择实例化接口的哪个实现。

类型库（type library）包含着COM类型的元数据。这些类型采用微软接口定义语言（MIDL）描述。

IDL文件定义了类、接口、结构、枚举与其他用户定义类型。IDL类似于C++的声明，使用了一些额外的关键字如interface、library等。IDL还支持在声明前给出方括號属性（bracketed attribute）以提供额外信息，如接口的GUID、指针参数与长度域之间的关系等。

MIDL编译器用来编译IDL文件，产生编译器独立的头文件。头文件包含了IDL文件中声明的接口对应的结构定义。结构只包含一项成员，即指向在接口中声明函数的地址表的指针（vtbl），以模仿C++对虚函数的实现。头文件还包含了类与接口等的GUID的常量的定义。MIDL编译器也可以产生C++源文件，包含代理模块（proxy module），用以把COM调用转为远程过程调用，以支持跨进程的DCOM通信。

IDL文件也可以被MIDL编译器生成类型库（TLB）文件.TLB，以供其他语言编译器与运行时环境使用，如VB、Delphi、.NET等生成语言相关表示COM类型的结构。C++把TLB转回到IDL表示。

使用C++的预编译directive#import ，可以装入如下格式的类型信息：

• 包含类型库的文件，如.olb、.tlb、.dll等；
• progid
• libid
• exe文件
• dll文件包含着类库资源（如.ocx）
• 复合文档包含了类库
• 其他可以被LoadTypeLib函数理解的文件

#import创建两个头文件以用C++源码形式恢复类型库信息：

• 类型库主头文件（.TLH）：类似于MIDL编译器产生的头文件，还有一些额外的代码与数据；
• 类型库次头文件（.TLI）：编译器产生的成员函数。该文件被包含在主头文件中。

两个文件被放在输出目录中。编译器在现场就地#include主头文件。

类型库主头文件（.TLH）包含七部分：

• 头部常规代码
• 将要用到的结构的前向引用与typedef
• 智能指针声明：使用宏语句_COM_SMARTPTR_TYPEDEF建立了COM接口的typedef，实际上是_com_ptr_t的模板特化。
• Typeinfo声明：类定义、ITypeLib:GetTypeInfo返回的其他Typeinfo项
• 可选的旧格式的GUID常量定义，形如CLSID_CoClass、IID_Interface
• #include类型库次头文件
• 尾部常规代码：#pragma pack(pop)

从第2至第6部分都包含在命名空间中，其名字在最初的IDL文件的library语句中给出。改名字在#import语句中可用属性no_namespace抑制掉；也可用rename_namespace属性更名。

COM是一个运行时框架，类型必须在运行时单独地标识并可指定。为此，使用GUID，每个COM类型被指定了它自己的GUID用于运行时标识。这也解决了C/C++语言的名字修饰导致的链接兼容性问题。

为了使COM类型信息在编译时与运行时都可以访问，COM使用类型库。这使得COM成为对象交互的动态框架。

考虑下述用IDL定义coclass的例子：

coclass SomeClass {
  [default] interface ISomeInterface;
};

上述代码框架声明了一个COM类，称为SomeClass，实现了接口ISomeInterface。

这在概念是等价于下述C++类：

class SomeClass : public ISomeInterface {
  ...
  ...
};

其中ISomeInterface是一个C++虚基类。

包含COM接口与类的IDL文件被编译为类型库（TLB）文件。客户程序可以在运行时分析类型库文件，以确定对象支持哪些接口，然后调用对象的接口方法。

C/C++程序以类ID（CLSID）与接口ID（IID）作为参数，用CoCreateInstance函数实例化COM对象。SomeClass的实例化代码如下：

ISomeInterface* interface_ptr = NULL
HRESULT hr = CoCreateInstance(CLSID_SomeClass, NULL, CLSCTX_ALL,
                              IID_ISomeInterface, (void**)&interface_ptr);

在这个例子中，使用COM子系统获取指向ISomeInterface接口的实现对象的指针，用CLSID_SomeClass指示用这个特定的coclass。

所有COM对象采用引用计数管理对象的生命期。客户程序通过所有COM对象都要强制实现的IUnknown接口的AddRef与Release方法来控制引用计数。当引用计数降到0时，COM对象自己负责释放内存。即对动态分配内存创建的COM对象，其Release函数内部引用计数降为0时，就释放自身所占的动态分配内存。有的COM对象（如IClassFactory）往往是静态对象，Release函数内部引用计数降为0时不需做额外的操作。

特定语言（例如Visual Basic）提供了自动引用计数，所以COM对象开发者在源代码中不需要显式维护任何内部的引用计数。C/C++编程者或者执行显式的引用计数，或者使用智能指针（如MFC提供的CComPtr）自动管理引用计数。

下述是如何调用COM对象的AddRef与Release的指引：

• 函数、方法返回接口的引用（通过返回值或者"out"参数），应当在返回前增加被返回的对象的引用计数。
• 接口指针被覆盖或超出作用域之前，必须调用接口指针的Release方法。
• 如果一个接口引用指针被复制，必须调用该指针的AddRef方法。
• AddRef与Release必须在被引用的相关接口上调用。因为一个COM对象可能实现了逐个接口上的引用计数，使得仅在相关接口上内部分配资源。

不向远程对象发出引用计数的调用。代理模块保持着远程对象的一个引用，并维持着它自己的本地引用计数。

为简化COM开发，引入了活动模板库（Active Template Library，ATL）用于C++开发。ATL提供了更高层次的COM开发范式。ATL也有益于COM客户应用程序开发摆脱直接维护引用计数，而是用智能指针对象。

其他能直接支持COM的库与语言还包括MFC Visual C++编译器的COM支持[6]、VBScript、Visual Basic、ECMAScript（JavaScript）和Borland Delphi等。

COM是一个语言独立的二进制标准，任何能够理解与实现COM的二进制定义的数据类型与接口的语言都可以开发COM组件。

COM实现负责进入、离开COM环境，实例化与引用计数COM对象，查询对象支持的接口，以及错误处理。

Microsoft Visual C++编译器支持对C++语言的扩展：称作C++ Attributes。[7]这些扩展被设计用于简化COM开发，去除实现COM服务器时大量臃肿的代码。[8]

在Windows操作系统中，COM类、接口、类型库都会根据其GUID登记到Windows注册表。HKEY_CLASSES_ROOT\CLSID下是COM类；HKEY_CLASSES_ROOT\Interface下是接口。COM类型库注册在每个COM对象的本地库条目下或者远程服务的网络位置处。

不使用注册表的COM（RegFree COM）是Windows XP引入的技术，允许COM组件不在注册表中存期激活的元数据与类ID（CLSID），而是在实现类的assembly manifest或者存储在可执行文件的资源中或组件安装时的单独文件中。[9]这使得同一组件的不同版本可以安装在不同目录下，用其各自的manifest描述，直接复制安装。[10]这种技术有限支持EXE COM服务器[11]且不能用于系统范围组件如MDAC、MSXML、DirectX或Internet Explorer。

应用程序装入时，Windows装入器搜索manifest。[12]如果存在，装入器从它增加信息到激活上下文。[10]COM类工厂试图实例化一个类时，激活上下文首先检查这个CLSID的实现是否可以找到。仅当查找失败时，才扫描Windows注册表。[10]

COM对象可以透明地实例化与引用在同一进程、跨进程边界、甚至在网上远程（DCOM）。进程外或远程对象用marshalling序列化方法调用与返回值。这种marshalling对用户是不可见的，就如同访问进程内的COM对象。

一个进程加载了一个COM的DLL文件后，该DLL可能定义并使用了一些可修改的全局变量或访问共享资源。该进程内的多个线程如何并发访问该DLL并保证是线程安全的，这就是“套间”（apartment）技术需要解决的问题。

COM对象与创建或调用COM对象的线程可以按两种策略来实现并发安全：

• 按照单线程执行方式写COM对象的代码，完全不考虑并发执行问题。这样的每个COM对象只能由一个线程执行，该线程通过Windows消息队列实现多线程访问该COM对象被串行化从而并发安全。这种策略称作单线程套间（Single-Threaded Apartment，STA）。
• COM对象的代码自身实现了并发控制（通过Windows互斥原语，如互斥锁、临界区、事件、信号量等）。因此实际上多线程可以直接调用该COM对象的方法，这是并发安全的。这种策略称作多线程套间（Multi-Threaded Apartment，MTA）。

COM的并发安全的具体实现，提出了套间（apartment）概念。每一种套间类型表示在一个进程内部是多线程情况下，如何同步对COM对象的调用。套间是一个逻辑容器，收纳遵循相同线程访问规则的COM对象与COM线程（创建了COM对象的线程或者调用了COM对象的方法的线程）。套间本质上只是一个逻辑概念而非物理实体，没有句柄类型可以引用它，更没有可调用的API操纵它。套间有两种：

• 单线程套间（Single-Threaded Apartment，STA）：每个进程可以有多个STA套间。每个STA套间只能有一个线程。每个STA性质的COM对象只能属于一个STA套间。一个STA套间可以有零个或多个STA属性的COM对象，这些COM对象的方法只能由该套间的唯一线程执行。STA套间的线程可以直接调用该套间的COM对象的方法。如果STA套间的COM对象被套间外的线程或进程调用，那么该套间的线程必须实现Windows消息队列与消息循环处理机制，其他线程必须通过marshalling与unmarshalling机制，通过给该STA套间的线程发送Windows消息来调用COM对象。每个STA性质的线程自动形成一个STA套间，这个套间容纳了该线程及其创建的所有STA性质COM对象。MTA性质的线程创建STA性质的COM对象时，系统自动把该COM对象放在default STA套间内，由该套间的STA线程来执行该COM对象的方法。每个进程至多有一个default STA套间，该套间与套间内线程是自动生成的。
• 多线程套间（Multi-Threaded Apartment，MTA）：每个进程至多有一个MTA套间。所有MTA性质的线程都属于MTA套间。所有MTA性质的COM对象也都属于这个MTA套间。STA性质的线程创建MTA性质的COM对象时，系统自动创建一些线程以执行这些MTA性质的COM对象，这些线程也属于MTA套间，系统返回安整后的COM对象的描述给STA性质的线程。
• 中立套间（Thread Neutral Apartment，NA）：一个进程可以有一个中立套间。中立套间只包含COM对象，不包含线程。当STA或MTA线程调用同一进程的NA对象，则调用线程临时离开它的套间并执行COM对象的代码，没有任何线程切换。即任何线程都可以直接了当调用COM对象的方法。[13]因此NA可以认为是优化套间之间方法调用的效率。

一个COM对象只能存在于一个套间。COM对象一经创建就确定所属套间，并且直到销毁它一直存在于这个套间。COM对象的套间类型写在Windows注册表相关条目中。

一个COM线程从创建到结束都属于同一个套间。COM线程只有两种套间模式：STA或MTA。[14]线程必须通过调用CoInitializeEx()函数并且设定参数为COINIT_APARTMENTTHREADED或者COINIT_MULTITHREADED，来指明该线程的套间模式。调用了CoInitializeEx()函数的线程即已进入套间，直到线程调用CoUninitialize()函数或者自身终止，才会离开套间。COM为每个STA的线程自动创建了一个隐藏窗口，其Windows class是"OleMainThreadWndClass" 。跨套间调用这个STA套间内的COM对象，实际上是向这个隐藏窗口发送了一条窗口消息，通过消息循环与分派，该窗口过程收到这条窗口消息并调用相应的COM对象的接口方法。

线程访问属于同一套间的COM对象，直接执行方法调用而不需COM设施的辅助。线程跨套间边界去调用COM对象，传递的指针需要marshalling。如果通过标准的COM的API来调用，可以自动完成安整。例如，把一个COM接口指针作为参数传递给另外一个套间的COM对象的proxy的情形。但如果软件编程者跨套间传递接口指针而没有使用标准COM机制，就需要手工完成安整（通过CoMarshalInterThreadInterfaceInStream函数）与反安整（通过CoGetInterfaceAndReleaseStream函数获取COM接口的proxy）。例如，把COM接口指针作为线程启动时的参数传递的情形。

跨进程的调用COM对象类似于同一进程内跨套间的调用COM对象。

COM对象coclass在注册表表示中的子键InProcServer32下的条目中ThreadingModel给出：

STA初始化时，创建一个隐藏窗口，用于apartment之间、进程间的消息路由。该窗口必须有正常的消息队列泵。这种结构称为消息泵。早期版本的Windows，消息泵的失败会导致系统范围的死锁。这个问题被初始化COM的Windows API复杂化了，并会导致实现细节的泄露。

如果多个对象是循環參照（Circular reference），则可能会导致问题。

Objects may also be left with active reference counts if the 使用COM事件池（event sink）模型，则对象可能一直保持活动的引用计数而不能被销毁。因为发送事件的对象必须有处理事件的对象的引用，因而对象引用计数永远不为0.

引用循环可以采取下述技术来克服：

• 带外终止（out-of-band termination），对象暴露一个方法，该方法调用时迫使该对象放弃对其他对象的全部引用。
• 身份分离（split identity）技术，一个实现暴露两个单独的COM对象（也称作identity），之间保持weak reference。

进程内的COM组件是用DLL文件实现，每个版本的DLL用CLSID登记到Windows注册表，因而某些情况下会发生DLL Hell效应。无需注册的COM克服了这一问题。

COM组件间的约定，纯粹是通过用户与组件之间的语义保证和假设的形式来表示的。COM用类型的形式表示组件约定。但是该约定存在如下两个关键问题，使得其对语义的表示并不是最优的。

• 约定的描述：COM没有定义约定的交换格式，即COM规范所约定的类型定义，必须通过完全是COM之外的某种技术来进行交互。微软定义和支持的COM交换格式有两个——IDL（Interface Definition Language接口语言定义）和TLB（Type LiBrary类型库），但是这两种格式并不是同构的，其中也没有哪种格式是权威的或标准的。
  • COM缺乏对组件依赖性的描述。因此，没有办法来解析COM组件（或者其约定的定义），也不能确定它所需要（依赖）的其他组件与版本。
  • COM约定的描述格式缺乏扩展性。IDL是基于文本的，极少随组件部署，通常只有C++程序员才会使用。TLB在扩展性方面存在缺陷，VB不使用TLB。
• 约定的工作方式是基于类型描述的，所采用的类型系统是C++的可移植子集。而且COM对组件的约定是物理的二进制约定，要求每个方法都具有精确的虚函数表偏移量、每个被传递的参数在堆栈规则中都有明确的偏移量、对象引用采用接口指针的明确格式、使用规定的分配器进行被调用这内存分配。COM组件的约定的精确性，产生了高效的代码；但不可靠性、开发使用及扩展升级的困难与复杂性高昂。