COM-Server

Unter einem COM-Server versteht man ein Laufzeitmodul (Dynamic Link Library) oder ein ausführbares Programm, das in einer COM-unterstützenden Programmiersprache erstellt wurde und COM-Komponenten anbietet und erstellen kann. Es gibt drei Typen von COM-Servern:

COM-Schnittstelle

Die COM-Schnittstelle dient der Kommunikation zwischen Client und Server. Eine COM-Komponente kann dazu über allgemein definierte und vorgegebene Schnittstellen (zum Beispiel IUnknown, IDispatch) sowie über spezielle Schnittstellen angesprochen werden.

Jede Schnittstelle hat eine weltweit eindeutige Identifikationsnummer, die GUID (Globally Unique Identifier). Dadurch können auch mehrere Schnittstellen mit demselben Namen existieren (aber nicht mit derselben GUID).

Um eine programmiersprachenübergreifende Client/Server-Kommunikation zu ermöglichen, findet an der Schnittstelle das sogenannte Marshalling statt, das die auszutauschenden Daten in eine vordefinierte Binärrepräsentation wandelt.

Eine Schnittstelle erfüllt die Funktion einer abstrakten Klasse, die lediglich virtuelle Elementfunktionen enthält, die (wegen der Trennung von Deklaration und Implementierung) in der VTable alle auf 0 gesetzt werden. Die C-Version einer Schnittstelle ist entsprechend eine Struktur, die Funktionszeiger enthält. Die erzeugten COM-Objekte nutzt man dabei über Zeiger auf deren Schnittstellen.

Wenn ein COM-Objekt eine Schnittstelle implementiert, muss es alle Methoden der Schnittstelle überschreiben, also die VTable füllen. Dabei sind mindestens die drei Methoden von IUnknown zu implementieren, die für das Lebenszyklusmanagement zuständig sind und eventuell vorhandene, weitere implementierte Schnittstellen offenlegen.

Eine Schnittstelle sieht in der für COM-Komponenten nutzbaren IDL (Interface Definition Language) wie folgt aus (als Beispiel dient das Interface IUnknown):

// Standardschnittstelle aller COM-Komponenten
[
    object,
    uuid(00000000-0000-0000-C000-000000000046)
]
interface IUnknown {
    [restricted]
    HRESULT _stdcall QueryInterface([in] GUID* rrid, [out] void** ppvObj);
    [restricted]
    unsigned long _stdcall AddRef();
    [restricted]
    unsigned long _stdcall Release();
}

Jede Schnittstelle muss über eine Schnittstellen-Vererbung die Funktionen der hier gezeigten Schnittstelle IUnknown definieren, da dieses die grundlegenden Funktionen für COM implementiert. Eine weitere Vererbung der Schnittstellendefinitionen ist möglich.

Da Programmiersprachen wie Visual Basic Script keine Typen kennen, hat Microsoft eine weitere Möglichkeit entwickelt, Funktionen aus COM-Schnittstellen aufzurufen. Für diese Möglichkeit muss die Schnittstelle die Funktionen der Schnittstelle IDispatch definieren. Dies ermöglicht es, eine COM-Komponente über IDispatch.Invoke() anzusprechen, ohne dass der COM-Client die Typbibliothek des Servers kennen muss. Da der Zugriff über das Dispatch-Interface sehr viel langsamer als der Zugriff über ein typisiertes Interface ist, wird oft beides implementiert (Dual Interface), so dass bei Programmiersprachen, die Zeiger beherrschen, beide Zugriffsmöglichkeiten zur Verfügung stehen.

COM-Komponente

Eine COM-Komponente bietet die aufrufbaren Funktionen über eine oder mehrere COM-Schnittstellen an. Die Erzeugung des Objektes erfolgt durch die Implementierung von IClassFactory.CreateInstance() im COM-Server.

Die Lebensdauer eines Objektes wird mittels Referenzzählung gesteuert. Eine COM-Komponente lebt nur so lange, wie die Differenz der Aufrufe von AddRef() (am Beginn der Verwendung einer Instanz) und Release() (Freigabe nach Verwendung der Instanz) nicht 0 ergibt.

Eine COM-Komponente kann mehrere Schnittstellen anbieten. Dies ist in bestimmten Situationen auch notwendig, um ein Programm erweitern zu können, ohne andere Programme neu kompilieren zu müssen, denn der Compiler kodiert die aus der VTable gelesenen Einsprungadressen der vom Client aufgerufenen Funktionen unter bestimmten Umständen fest. Wird die Schnittstelle einer Komponente später geändert, kann sich die Einsprungadresse ändern, was die Funktionstüchtigkeit des Clients beeinträchtigen würde. Zur Erweiterung der Serverfunktionalität wird also stattdessen eine weitere Schnittstelle implementiert.

Eine Vererbung von COM-Komponenten (Aggregation) ist durch die Anforderungen der Binärkompatibilität nur in wenigen Programmiersprachen möglich. Dazu wird die zu vererbende Komponente über explizite Durchleitung der Schnittstellen über die erbende Komponente veröffentlicht.

COM-Client

Der Client ist das Programm, das

• möglicherweise ein Objekt einer COM-Komponente über einen COM-Server erzeugt und
• die von der COM-Komponente angebotenen Funktionen benutzt.

Der Client kennt die Funktionen, die von der COM-Komponente angeboten werden, da diese in den entsprechenden COM-Schnittstellen deklariert sind. Die Veröffentlichung von Schnittstellen erfolgt entweder über Typbibliotheken oder Beschreibungen in der IDL (Interface Definition Language).

Apartments

COM-Objekte werden bei der Erzeugung immer einem sogenannten Apartment zugeordnet. Dabei handelt es sich um transparente Rahmen, die zur Synchronisierung von Methodenaufrufen mehrerer Objekte dienen, die mit unterschiedlichen Anforderungen an die Threadsicherheit arbeiten. Wird COM nicht mitgeteilt, dass eine entsprechende Komponente threadsicher ist, wird COM nur einen Aufruf gleichzeitig an ein Objekt erlauben. Threadsichere Komponenten können auf jedem Objekt beliebig viele Aufrufe gleichzeitig ausführen.

Geschieht ein Aufruf im gleichen Apartment zwischen verschiedenen Objekten, ist kein Marshalling erforderlich. Wird jedoch eine Schnittstelle über Apartmentgrenzen hinweg benutzt, muss ein Marshalling erfolgen.

Jeder Thread, der COM verwenden möchte, muss sich vor der ersten Verwendung einer COM-Funktionalität einem Apartment zuordnen (MTA) oder ein neues Apartment erstellen (STA). Dies geschieht über die Funktion CoInitialize(). Programmiersprachen mit integrierter COM-Unterstützung (zum Beispiel VB6 und die meisten .Net-Framework-Sprachen) führen diese Zuordnung oft automatisch durch.

Jede COM-Komponente wird bei Erzeugung einem Apartment zugeordnet. Falls die Apartment-Anforderungen der erzeugten Komponente zum Apartment des erzeugenden Threads passen, wird das Objekt dem gleichen Apartment zugeordnet. Bei Aufrufen über Prozessgrenzen hinweg liegen die beiden Objekte immer in verschiedenen Apartments. Die Zuordnung zu einem Apartment kann während der Lebensdauer des Objektes nicht geändert werden.

Es gibt drei Arten von Apartments:

• Single Threaded Apartments (STA) besitzen genau einen Thread und beliebig viele Objekte. Es können beliebig viele STAs in einem Prozess existieren. Es erfolgt nur ein Aufruf gleichzeitig an das aufzurufende Objekt. Die restlichen Aufrufe warten in einer Warteschlange auf die Freigabe des Apartment-Threads. Dies impliziert, dass zwei Objekte in demselben STA auch von zwei verschiedenen Clients nicht parallel aufgerufen werden können. Als Besonderheit wird das erste in einem Prozess initialisierte STA automatisch zum Main-STA. Pro Prozess gibt es nur genau ein Main-STA; alle Objekte, die keine explizite Anforderung an das Apartment stellen, werden in diesem erzeugt.
• Multi Threaded Apartments (MTA) besitzen beliebig viele Threads. Es gibt in einem Prozess allerdings maximal ein MTA. Dadurch können von mehreren Clients gleichzeitig Aufrufe an das gleiche oder auch verschiedene Objekte erfolgen. Die Anforderungen an die Implementierung der Komponenten sind wegen der notwendigen Threadsicherheit und Reentranz sehr hoch.
• Neutral Threaded Apartments (NTA) haben keine Threadaffinität. Es gibt in einem Prozess allerdings maximal ein NTA. Jedes Objekt in einem NTA kann von einem STA/MTA Apartment ohne Threadübergang aufgerufen werden. Der Thread wird also kurzzeitig in das NTA ausgeliehen, um damit aus Performancegründen das Marshalling zu überspringen. Neutral Threaded Apartments wurde mit Windows 2000 eingeführt, um die Vorzüge von MTA (meist kein Marshalling notwendig) mit den Vorzügen von STA (keine threadsichere Implementierung notwendig) zu vereinen.

Sprachunabhängigkeit

COM-Komponenten sind unabhängig von der Programmiersprache. COM unterstützt den sogenannten Binärstandard. Die erzeugte Binärdatei stellt einerseits die implementierten Funktionen zur Verfügung und andererseits eine Schnittstelle, die diese Funktionen aufzeigt. Mit Hilfe der Schnittstelle ist es möglich, von anderen Programmen aus die Funktionen zu verwenden. Dabei wird mit Konzepten aus dem Bereich Verteilte Systeme gearbeitet.

Versionsunabhängigkeit

Ein weiterer Vorteil beim Einsatz von COM ist es, dass man die Verwaltung von neuen Softwarefeatures einfach in eine bestehende Anwendung integrieren kann. Oftmals kann es Probleme geben, wenn man herstellerneutrale oder herstellerübergreifende Softwarekomponenten mit weiteren Funktionen ausstattet. Dadurch kann zwar die eigene Software erweitert werden, jedoch besteht die Gefahr, dass andere Software, die ebenfalls die herstellerübergreifenden Komponenten verwendet, nicht mehr funktionsfähig bleibt.

COM bietet eine robuste Möglichkeit an, um eine Softwarekomponente mit neuen Funktionen zu erweitern. Dies wird dadurch ermöglicht, dass mehrere Schnittstellen in einer Header-Datei zusammengefasst werden können. Der folgende C++-Programmcode verdeutlicht dies:

//
// Interface mathematik.h
//
class IStandardMathFunctions : public IUnknown
{
public:
    STDMETHOD(Addieren)(long, long, long*)
    STDMETHOD(Subtrahieren)(long, long, long*)
};

class IAdvancedMathFunctions : public IUnknown
{
public:
    STDMETHOD(Fibonacci)(short, long*)
}

Diese Header-Datei namens mathematik.h enthält zwei Schnittstellen. Die erste Schnittstelle könnte beispielsweise die herstellerübergreifenden Funktionen anbieten, die von verschiedenen Programmen verwendet werden. Durch die zweite Schnittstelle IAdvancedMathFunctions wird diese Softwarekomponente erweitert. Weitere Schnittstellen können jederzeit hinzugefügt werden. Die alten Schnittstellen und darin enthaltenen Funktionen gehen dabei nicht verloren. Das Hinzufügen neuer Schnittstellen statt des Veränderns derselben ist so die von Microsoft gedachte Form, Softwarekomponenten zu erweitern, da so keine Inkonsistenzen entstehen.

Plattformunabhängigkeit

x64-Applikationen können dank Marshalling auf 32-bittige COM-Server zugreifen (und umgekehrt). Der COM-Server muss dann in einem eigenen Prozess laufen und seine Objekte können demnach nicht als In-process-Server instanziiert werden. COM-Applikationen sind jedoch fast ausschließlich auf die Windows-Betriebssystemfamilie und von dieser unterstützte Hardware angewiesen, eine Plattformunabhängigkeit war konzipiert, wurde aber wohl nur in wenigen Ausnahmefällen realisiert.

Objektorientierung

Beim Einsatz von COM wird objektorientiert gearbeitet. Trotzdem können COM-Komponenten auch zum Beispiel in C erstellt und genutzt werden, da die Schnittstellen tatsächlich eine Sammlung von Funktionszeigern sind (abstrakte Klasse in C++, struct in C).

Ortsunabhängigkeit

COM ist ortsunabhängig, d. h., dass die einzelnen COM-Komponenten an einer zentralen Stelle (Registrierungsdatenbank) angemeldet werden und so der Zugriff auf die Komponenten unabhängig von ihrem eigentlichen Ort erfolgen kann.

Automatisierung

Das Steuern von Anwendungen über COM-Schnittstellen wird als Automatisierung bezeichnet. Von dieser Anwendungsmöglichkeit wird häufig im Rahmen von OLE (Object Linking and Embedding) Gebrauch gemacht.