C# 4.0 動態型別應用例：動態載入 DLL 模組

小引

八年前（2001 年），我曾寫過一篇標題為「DLL 應用 - 設計可抽換的模組」的文章，當時的範例是以 Delphi 實作，之後經過一些修改，也成為自己開發 Windows 應用程式的主要框架。後來轉到 .NET 平台，又將此範例分別改寫成 Delphi.NET 和 C# 版本，並於 .NET Magazine 上發表類似的文章，標題是「設計動態載入的 Plug-in 應用程式」，這時候已經是 2005 年了。如今又過了四年，因為 C# 4.0 的 dynamic 型別，便想把這個範例拿出來改一下，看看有甚麼不一樣的地方。


接著會先簡單介紹一下這個框架的基本概念，並示範「動態載入組件，靜態繫結方法呼叫」的寫法。最後再將範例程式改成使用 C# 4.0 動態型別（動態繫結），並比較兩種方式的執行時間。雖然已經知道動態繫結一定比較慢，但結果竟差了十倍之多，還是有點驚訝。

簡介

這次的範例程式雖然和之前的文章採用類似的作法，但去掉了 Windows Forms 的部分，也就是說，僅保留動態載入 DLL 與呼叫 DLL 內含物件的部分，成為更一般化的框架。

前面已經有舊文連結，這裡就不重複太多細節，先看一下這個框架的套件圖好了：


圖 1：套件圖

裡面的 MainApp 就是主程式，Plugin1 和 Plugin2 分別代表可動態載入的模組（DLL 組件）。而 PluginInterface（也是 DLL 組件）就是讓主程式和各 DLL 模組「有點黏又不會太黏」的膠水介面。簡單地說，它的功能主要在避免主程式直接參考各 DLL 模組，藉以降低彼此的耦合度。PluginInterface 可說是主程式和 DLL 模組之間的合約。

以此框架來實作可抽換 DLL 模組時，有三項主要的工作：定義膠水介面、建立 DLL 模組、在主程式中載入並呼叫 DLL 模組中的物件。

Part I：定義膠水介面

這個介面定義了主程式與其他擴充模組之間的合約。我通常將此膠水介面命名為 IPlugin，並且編譯成一個獨立的 DLL 組件。這裡將它命名為 PluginInterface.dll。參考以下程式碼：

程式碼列表 1：IPlugin 介面

   1:  namespace PluginInterface

   2:  {

   3:      public interface IPlugin

   4:      {

   5:          void Execute();

   6:      }

   7:  }

這個示範性的膠水介面非常簡單，只定義了一個 Execute 方法。也就是說，所有 plugin DLL 都至少要提供一個實作 IPlugin 介面的類別。

Part II：建立可抽換模組

這裡簡單描述一下建立一個可抽換 DLL 專案的步驟：

1. 建立一個新的 Class Library 專案，命名為 Plugin1。
2. 加入組件參考：PluginInterface.dll。
   
3. 建立一個類別：PluginClass。此類別必須實作 IPlugin 介面，參考程式碼列表 2。

程式碼列表 2：Plugin1 的 PluginClass

   1:  using PluginInterface;

   2:  

   3:  namespace Plugin1

   4:  {

   5:      public class PluginClass : IPlugin

   6:      {

   7:          public void Execute()

   8:          {

   9:              Console.WriteLine("Inside Execute(): " + DateTime.Now.ToString());

  10:          }

  11:      }

  12:  }

Execute 方法只有一行程式碼，用來顯示當時的時間，這可以幫助我們觀察組件載入後，動態呼叫物件方法時總共花了多少時間。

Part III：在主程式中動態呼叫 DLL 方法

首先，主程式專案也要加入 PluginInterface.dll 組件參考，然後在程式中利用 Reflection 機制動態載入組件（註1），並建立組件中的物件，然後轉型為 IPlugin 介面參考，再透過此介面參考來呼叫物件的方法。參考程式碼列表 3。

程式碼列表 3：主程式動態載入與呼叫 DLL 方法

   1:  using System;

   2:  using System.Collections.Generic;

   3:  using System.Linq;

   4:  using System.Text;

   5:  using System.Reflection;

   6:  

   7:  namespace Main

   8:  {

   9:      class Program

  10:      {

  11:          static void Main(string[] args)

  12:          {

  13:              Assembly asmb = Assembly.LoadFrom("Plugin1.dll");

  14:  

  15:              DateTime beginTime = DateTime.Now;

  16:              Console.WriteLine("Begin time: " + beginTime.ToString());

  17:  

  18:              IPlugin obj = (IPlugin) asmb.CreateInstance("Plugin1.PluginClass");

  19:              obj.Execute();

  20:  

  21:              DateTime endTime = DateTime.Now;

  22:              Console.WriteLine("End time: " + beginTime.ToString());

  23:              Console.WriteLine("Total: " + (endTime - beginTime).ToString());

  24:          }

  25:      }

  26:  }

注意第 18 行在動態建立物件之後，必須將它轉型成 IPlugin 介面。此範例程式的執行結果如下：

Begin time:       2/6/2009 2:53:50 AM
Inside Execute(): 2/6/2009 2:53:50 AM
End time:         2/6/2009 2:53:50 AM

Total: 00:00:00.1213872

程式計算的執行時間不到 0.2 秒，這並未包含載入組件的時間，而是從建立 plugin 物件開始，直到呼叫的 Execute 方法結束為止。

改用 C# 4.0 動態型別

若使用 C# 4.0 dynamic 型別，在建立物件時就毋需轉型成 IPlugin 介面，故載入 DLL 和呼叫物件方法的部分可改成這樣：

   Assembly asmb = Assembly.LoadFrom("Plugin1.dll");

   dynamic obj = asmb.CreateInstance("Plugin1.PluginClass");

   obj.Execute();

此修改有兩個影響。首先，主程式並不需要參考 PluginInterface.dll 組件，其建立組件、建立物件、以及呼叫物件方法的繫結動作，全都是在執行時期完成。其次，在 Visual Studio 中輸入 "obj." 時，IntelliSense 功能不會提示它有甚麼方法（因為根本不知道它是什麼型別）；這是動態型別的一項缺點。

另一個缺點是執行速度較慢。以下是程式改寫後的執行結果：

Begin time:       2/6/2009 2:56:39 AM
Inside Execute(): 2/6/2009 2:56:49 AM
End time:         2/6/2009 2:56:39 AM

Total: 00:00:10.3399824

執行時間和原先靜態繫結的版本竟然差了 10 倍！觀察多次執行的結果，最快也要九秒。我的測試環境是用 Virtual PC 2007 跑 Windows Server 2008（兩個範例程式都是在相同環境上執行）。

靜態繫結 vs. 動態繫結

若採用動態型別，在這個例子當中給我的感覺是主程式和抽換模組之間的耦合更寬鬆，不像膠水介面那樣黏得那麼緊。因為各抽換模組中的類別並不一定要實作 IPlugin 介面，反正只要該類別有提供與 IPlugin 介面相容的方法－－更精確地說，只要 .NET runtime 在執行時能夠繫結該方法－－主程式就可以順利呼叫它。換言之，PluginInterface 變得有點「僅供參考」的味道了。

若使用靜態繫結的方式，即以膠水介面來銜接主程式和各個擴充模組，三種角色之間的關係當然就緊密一些。即使膠水介面本身非常單純（不包含實作），可是一旦 IPlugin 有變動，例如：增加或移除某個方法，那麼主程式和所有擴充模組就必須重新編譯。此作法除了呼叫方法時比動態繫結還快，另一個明顯的好處是寫程式時有 IntelliSense 的協助，腦袋就不用去記 IPlugin 有哪些方法了。

小結

綜合以上的討論，就動態載入 DLL 模組這個場合，個人還是偏向使用靜態繫結的膠水介面。因為使用 dynamic 型別對此框架所帶來的程式撰寫上的方便並不多，執行速度卻比靜態繫結慢很多。


註1：使用此框架時需注意，.NET DLL 組件一旦載入，就會一直留在記憶體中，直到載入它的主程式結束為止。若要更靈活運用記憶體，就必須使用把 DLL 組件載入到不同的 app domain。