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真是想不到系列之一:VB到底为我们做了什么?         ★★★★

真是想不到系列之一:VB到底为我们做了什么?

作者:闵涛 文章来源:闵涛的学习笔记 点击数:1354 更新时间:2009/4/23 16:39:37

《真是想不到系列》
     每次看大师的东西到了精彩之处,我就会拍案叫绝:"哇噻,真是想不到!"。在经过很多次这种感慨之后,我发现只要我们动了脑筋,我们自己也能有让别人想不到的东西。于是想到要把这些想不到的东拿出来和大家一起分享,希望抛砖引玉,能引出更多让人想不到的东西。

                真是想不到系列之一:VB到底为我们做了什么?
关键字:VB、底层、WIN32、API、COM
难度:中级
要求:熟悉VB,会用VC调试器,了解WIN32 SDK、COM。
    VB一直以来被认为有以下优缺点:优点是上手快、开发效率高;缺点是能力有限,运行效率低。这正是有些软件把VB做为首选语言,而有些软件肯定不会用VB做的原因。而很多VC,DELPHI的程序员都认为VB里搞开发不自由,它让我们做事变容易的同时,也让我们发挥的余地越来越小。的确,简单和功能强大这两者本身就是一对矛盾。那怕一行代码不写,仅仅起动运行一个空窗体这样简单动作,VB在底下就为我们做了大量复杂的工作(决不仅仅是注册窗口类、显示窗口、起动消息循环这么简单),这些工作对程序员是透明的。我们在感谢VB开发小组对我们程序员体贴入微的同时,不禁也要责怪为什么在文档中对这些底层的动作只字未提,虽然这些动作对最终的程序也许并无影响,但我们拥有知情权,更何况这些动作有时的确会影响我们的工作(我将在本系列后面的《VB多线程》中谈到这种影响)。
    然而,所有希望从本文得到"未公开技术秘密"的朋友你将会很失望,因为我能够知道的和你一样多,我们所能做的一切就是站在外面来猜VB在里面做了什么?所以我决不是要带大家一起去将VB反向工程,而是想通过猜想VB的内部工作来将一些原来比较模糊的概念搞清楚。作为一个系列的第一篇文章,它的目的是为了后面的深入打下基础,所以我会在需要的时候指出我们必须掌握的知识点,如果你不清楚,请及时地学习相关书籍来补课,具体见《参考书目》。
    最后,要声明我在本文中所做的各种实验和推断仅是我个人的观点,不能保证其正确性,并且不承担任何相关的法律责任。
    好,开始吧!首先准备好我们的武器,我下面要使用的工具主要有:VB6中文企业版+SP5(废话),还有SPY++、Dependency Walk和OLE Viewer(以下简称SPY和DEPEND和OLEVIEW,SPY在VB光盘的common\tools\vb\下的SPY目录中,OLEVIEW是其下OLETOOLS目录中的OLEVIEW.EXE,注意其下还有一个OLE2VW32.EXE功能类似,不过本文所指的是OLEVIEW.EXE,还Denpend在其下的Unsupprt\DEPEND里)。还要用用VC(上面提的工具在VC里有),因为我们还要看看VB生成的代码,搞VB高级开发的朋友一定要会用VC调试器,懂点汇编更好。当然,本文的重点不在这儿,所以没有VC也不要紧。
     打开VB6新建一标准EXE工程,在"工程"->"引用"对话框里应该已有四个引用,简单点就是:1、Visual Basic For Application(VBA) 2、VB运行时对象库 3、VB对象库 4、OLE自动化。前面三个是任何VB工程都必须的,你想不要都不行,不信你试着去掉对它们的引用。那么这三个核心类型库各有什么用,在最终生成的可执行程序中扮演怎样的角色,这是本文要分析的第一个问题。
    1)VB、VBA、VBS的区别你搞清楚了吗?
    首先VBS不应该和VB、VBA放在一起比较,它是微软按照自己定义的ActiveX Scripting规范完全从头开始写成的脚本语言,虽然它的语法结构和VB非常相似,但VBS仅仅依靠自动化对象来扩充其功能(只有后期绑定),它不能用implements来实现接口,不可能在VBS里直接使用API,没有VarPtr这样能得到指针的函数,而VBS缺少的这些功能正是VB和VBA所特有的。当然,这不是说VBS不如VB或VBA,Windows已经为VBS提供了足够强大的功能,我们可以用VBS来做脚本COM组件,而且借自动化对象的能力VBS可以说能力无限,所以有病毒用VBS来写,对程序员来说VBS最重要的功能莫过于可以给自己的软件提供宏功能,就象VC中提供的VBS宏功能那样。注意,VBS是Free的,这和在Office中使用VBA来提供宏功能不同,要集成VBA需要价格不低的许可证费用,关于脚本语言可参见MSDN中Platform SDK\Tools and Languages\Scripting。(在本系列后面的文章《脚本功能》中我会实做一个用VBS来提供宏功能的小软件)
    那么VB和VBA又有什么不同呢?好吧,眼见为实,开始我们的实验吧!
    如果装了Office 2000以上版本,那么打开OLEVIEW,点击File下的View TypeLib查看位于E:\Program Files\Common Files\Microsoft Shared\VBA\VBA6下的VBE6.dll的类型库,再用同样的方法看看MSVBVM60.dll的类型库,你会发现它们的类型库基本上一模一样,除了VBE6多了一个VBEGlobal接口和实现这个接口的Global对象,这个Global对象我们也可以在VBA编程环境(比如用WORD的VB编辑器)中用对象浏览器看到。它有二个方法Load和UnLoad,还有一个UserForms属性,这是因为VBA6使用MS Form 2.0 Form设计器(FM20.dll)来设计和使用UserForm窗体(而在VB6中,我们可以使用多个设计器。比如通过使用MS Form 2.0 Form设计器,我们就能在VB中使用VBA所使用的UserForm用户窗体)。和VBA的Global对象类似,在VB中也有GLobal对象,从VB的对象浏览器中可以知道它在vb6.olb这个类型库中,这个类型库就是每个工程都必须引用的VB对象库,所有的VB内置对象都在这里。而VBA的UserForm中使用的对象都在FM20.dll中。
    除了上述不同外,VB和VBA还有一个最大的不同,就是VBA不能生成EXE可执行文件,但可以猜想在IDE环境中VBA和VB都要把代码编译成p-code来执行,后面我将用实验来证明的确是这样,虽然在具体的实现上VB和VBA有很大的不同。
    从上面的分析上可以看到VB和VBA还是有很大不同的,这种不同主要体现在编程环境和对象结构上,但在本质上它们之间却有着不可割舍的血源关系。如果刚才你仔细地观察了MSVBVM60.dll的类型库,你就会发现如下的片断:
    // Generated .IDL file (by the OLE/COM Object Viewer)
    [
      dllname("VBA6.DLL"),
      uuid(35BFBDA0-2BCC-1069-82D5-00DD010EDFAA),
      helpcontext(0x000f6ec4)
    ]
    module Strings {
        [entry(0x60000000), helpcontext(0x000f665f)]
        short _stdcall Asc([in] BSTR String);
        [entry(0x60000001), helpcontext(0x000f6e9f)]
        BSTR _stdcall _B_str_Chr([in] long CharCode);
     ……………
    }
    什么?在MSVBVM60.dll中的对象其方法却定义在VBA6.DLL中?!VB安装目录下不就有个VBA6.DLL吗?再用OLEVIEW看看它,哇噻,真是想不到它居然和MSVBVM60.DLL的一模一样。怎么回事?赶快再拿出DEPEND来看看VBA6.dll、MSVBVM60.dll和VBE6.dll这三个DLL的输出函数。哈,又有新发现,我们可以发现在三个DLL的输出函数中从编号512到717绝大部分都是一模一样的一些以rtc开头的函数,比如595的rtcMsgBox(rtc是什么?应该是Run Time Component? Control? Code?有谁知道吗?),这说明三个DLL都有着相同的运行时VBA函数。
    我们再用DEPEND来观察一下VB6.EXE, 我们可以发现VB6.EXE引入了VBA6.DLL中一些它特有的以Eb和Tip开头的函数,从这些函数的名称上可以发现它们的功能都是IDE相关的,比如79的EbShowCode和82的TipDeleteModule。VB6.EXE恰恰没有引入任何rtc开头的函数(注意一)。我们再来看看MSVBVM60.DLL,随便找一个用了MsgBox函数的编译后的文件,用DEPEND来观察它,就会发现它引入MSVBVM60.DLL输出的595号rtcMsgBox函数(注意二)。并且引入MSVBVM60.DLL中很多以下划线开头的函数,比如__vbaVarAbs(注意三)。其实从这个三个"注意"中我们已经可以进行一些猜想,无论对错,你可以先想想。
    如果你没有跟着我做实验,而仅仅是看这篇文章的话,我猜想你应该有点昏了。如果你自己动手做了这些实验,现在你应该充满了疑问而急侍看到结论。所以请一定要亲手试一试,学习研究问题的方法比看结论更重要。
    到这里至少我们可以得出结论:VB和VBA本就是同宗的姐妹,只不过姐姐VB的功夫要比妹妹VBA历害些。不过姐姐只会单打独斗是女强人;妹妹却只会傍大款。姐姐有生育能力,是真正的女人;妹妹却不会生崽,但深谱相夫之道,一番教导指挥之下可使她老公增色不少,而VBS呢,也是大户人家的女儿,不过没有VB和VBA姐妹优秀的血统,娇小玲珑干不得粗活只能指挥些自动听话的对象来干活,她乐于助人品德好不象VBA那样只认大款,VB、VBA、vbs三个女人我都喜欢。

    2)Native Code(本地代码)到底做了什么?
    打起精神,我们再深入一步。用OLEVIEW得到的类型库还不能正确的反映各对象方法对应的DLL中的函数入口,你应该已经发现用OLEVIEW得到的IDL文件中各个方法的entry属性值都是0x600000XX这样的假东西。要得到类型库中各方法在DLL中的真正入口,我们需要自己来写段程序。
    即使在VB中我们也可以非常容易地获取类型库信息,再加上点COM初始化和调用代码,我们就能用自己的代码实现VB6才引入的CallByName函数(在本系列后面的《Hack COM》中我会更深入谈谈COM,作为一名VB程序员对COM的理解非常重要)。由于本文的关键不是指导如何在VB里使用类型库,所以下面提供的方法尽量从简。
    新建一个标准EXE工程,添加对TypeLib Infomation的引用,在Form中放一个名为lblInfo的标签,然后添加如下代码:
''''程序1
Private Sub Form_Load()
    Dim oTLInfo As TypeLibInfo
    Dim oMemInfo As MemberInfo
    Dim sDllName As String
    Dim sOrdinal As Integer
   
    Set oTLInfo = TLI.TypeLibInfoFromFile("MSVBVM60.DLL")
   
    lblInfo = "MATH模块包含以下方法:" & vbCrLf
   
    For Each oMemInfo In oTLInfo.TypeInfos.NamedItem("Math").Members
        With oMemInfo
            .GetDllEntry sDllName, vbNullString, sOrdinal
           
            lblInfo = lblInfo & .Name _
                & "定义在" & sDllName & "中," _
                & "其编号为" & sOrdinal _
                & vbCrLf
        End With
       
    Next
End Sub
    运行以后我们就可以知道MATH模块中的Abs方法定义在VBA6.DLL中,其编号为656。在DEPEND中查看VBA6.DLL中编号为656的函数,果然就是rtcAbsVar,用VBE6.DLL试试结果相同。
    还记得前面的注意一吧,VB6.EXE没有引入rtc开头的函数这说明在IDE环境中执行的VBA方法实际上是通过COM调用VBA对象库中的方法(跟踪p-code是噩梦,所以我无法验证它用的是什么绑定方式)。而注意二中提到的最终可执行程序中引入了rtcMsgBox,如我们所料最终的程序会直接调用它,这要比COM调用快一点,但在跟踪最终程序时,我发现rtcMsgBox内部却是经过了二万五千里长征后才会去调用MessageBoxA这个API,其间有多次对其它对象的COM调用,慢!可能是因为显示的是模态对话框,在多进程多线程环境有很多需要考虑的因素吧,如果你是疯狂在意效率的程序员,你应该试试用API来重写MsgBox,绝对快不少。再来看看注意三,让我们把以下的程序编译成使用本地代码的"程序2.EXE"(为了后面的实验,可以在工程属性的编译选项卡中将它设成"无优化"和"生成符号化调试信息"程序2.EXE""):
''''程序2
Private Declare Sub DebugBreak Lib "kernel32" ()
Private Sub Main()
    Dim i As Long, j As Long
    Dim k
    i = &H1234
    DebugBreak
    k = 1234
    j = Abs(k)
    j = Abs(i)
    MsgBox "ss"
    j = VarPtr(i)
End Sub
    用DEPEND观察"程序2.EXE",我们可以发现"程序2.EXE"并没有如我们预期的一样在引入595的rtcMsgBox的同时引入656的rtcAbsVar,相反它引入了__vbaVarAbs和__vbaI4Abs,看看函数名就知道一个针对的是Variant,一个针对的是long。这说明VB在最终生成的代码中对象Abs这样的可以进一步针对不同类型优化的VBA函数进行了相应的处理,观察一下所有以__vba开头的函数绝大部分都是那些最基本最常用的VBA函数,可以说__vba开头的VBA函数是rtc开头的VBA函数的优化版本,它们基本上是VB开发小组重新写的,绝大多数在函数内部实现自身功能,而rtc开头的函数大多数是调用COM服务对象来完成工作。从这么多__vba开头的函数上可以看出VB小组在Native Code(本地代码)的优化上下了不少功夫,这决对不是吹牛。它的确高度优化了不少科学计算相关的函数,以ABS为例Native Code要比p-code快4倍以上。但是并不是所有的计算函数都经过了这样的优化,比如Rnd函数,它就没有对应的__vba开头的优化函数,而是直接对应到rtcRandomNext函数上,虽然rtcRandomNext也已经优化过,但内部依然用了COM调用,还是不如自己重写的快,我不明白为什么VB开发小组没有考虑为它写一个对应的__vbaRnd。
    不要以为上面的分析没有意义,因为我们可以从现象看本质,也可以从本质来解释现象。比如我们再做一个实验,给你的代码加入一个类模块,你可以试试声明一个和内部方法同名的公有的方法(这是一个很有用的技术,在本系列后面的《错误处理》中我们会用到这种方法),比如我们可以声明一个Public Function Rnd(x) as single,同样我们可以自己写一个同名的MsgBox。但是你试试能不能声明一个Public Function abs(x) ,这时VB肯定会弹出一个莫名其妙的编译错误提示框告诉你"缺少标识符",这种错误发生在你的函数名和VB关键字冲突的时候。但是为什么同样是MATH模块中的函数,abs是关键字,rnd却不是,VB文档里是不会告诉你为什么的,但如果你认真的看了我上面的实验分析,我们就能猜想这是因为VB对需要进一步优化的函数已经做了高度优化处理,VB开发小组为了保护他们的劳动成果,并显示他们对自己优化技术的自信,而禁止我们重写这些函数,同时VB开发小组也承认还有些函数有待进一步优化,所以准许我们重写之。在这里我要提出一个伟大的猜想:凡是能够被重写的函数就能够被优化,就象凡是大于2的偶数就能够被分解成两个质因数的和一样。
    说到优化,还应该谈谈直接API调用和使用API类型库的差别,还必须谈谈VB所使用的后端优化器(和VC用的是一样的优化器),还想谈谈如何尽最大可能来使用vTable绑定……(准备在本系列中另写一篇《优化》来谈这些问题)。
    看了本地代码,我们再来看看p-code,要是你看了MSDN中关于p-code的原理,你肯定会头大。平心而论p-code真是一个了不起的技术,代码大小平均可以缩小50%。我们把程序2编译成p-code看看,还是用DEPEND来观察,发现它并没有引入__vba开头函数(没有使用优化的VBA函数?),却引入了CallEngine这样的东西(肯定是为了调用p-code伪码解释引擎),而且和Native Code一样都引入了rtcMsgBox(编译生成的p-code在调用MsgBox时应该比在IDE环境中运行的p-code快)。
    如果你迫不及待地运行了程序2,你就会发现它将弹出一个应用程序错误对话框,说程序发生异常。别怕,这是因为调用了DebugBreak这个API的缘故,这个API其实就是产生一个Int 3中断,使得我们能够中断程序执行。如果你装了VC这样的支持即时调试的调试器,你可以在错误对话框中点击"取消",这样可以起动调试器来调试程序。我就是这样跟踪程序运行的。如果你想看看VB生成的程序反汇编代码可以自己试试,我们可以用同样的技术在VB或VBA的IDE中来中断程序执行,比如我们完全可以在Word的VB编辑器中运行上面程序2的代码,从而中断于Word的进程中,并可观察到VBA生成的p-code代码。比如VB和VBA在IDE中

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