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  • 公共语言运行库(CLR)开发系列课程(1)：Pinvoke 简介 学习笔记

    • 前言

    　　让拖管代码对象和非托管对象协同工作的过程称为互用性(Interoperability)，通常简称为 Interop。
    　　P/Invoke在托管代码与非托管代码交互式时产生一个事务（Transition），这通常发生在使用平台调用服务（Platfrom Invocation Services）即P/Invoke。允许托管代码调用平台（Platfrom）相关的非托管代码（c++、VB、Delphi....）
    　　Com Interop 一种服务，它使 .NET Framework 对象能够与 COM 对象通信。
    　　如调用系统的 API 或与 COM 对象打交道，通过 System.Runtime.InteropServices 命名空间
    　　虽然使用 Interop 非常方便，但据估计每次调用事务都要执行 10 到 40 条指令，算起来开销也不少，所以我们要尽量少调用事务
    　　如果非用不可，建议本着一次调用执行多个动作，而不是多次调用每次只执行少量动作的原则

    • 为什么要使用P/Invoke

      • 速度

        • .NET下的JIT（即时编译器）和GC（垃圾回收）通常性能十分优秀
        • 某些特定对性能非常敏感的情况下，C/C++/汇编仍然有着性能上的优势
          • 使用汇编可以手动优化机器代码
          • 可以手动管理内存
          • 部门情况下C/C++编译器（他们在build过程中已经将优化做完）比JIT优化做的更好 （运行时才生成对应机器代码）
          • 注意：使用C/C++会导致生产率下降。
          • 好坏需要根据适用场景权衡

      • 功能

        • .NET Framework的类库缺少某些功能
          • 部分Windows API并没有对应的.NET API
          • 新的Windows的功能暂时并没有对应的.NET API

      • 重用

        • 已有的代码是使用非托管代码编写保护投资
        • 第三方组件仅提供非托管API
        • 如果做程序迁移可以先迁移部分简单到C#上核心依然可暂时继续使用c++加快迁移进度，平滑迁移。

      • P/Invoke速度较慢

        • 从托管代码进入非托管代码CLR(Common Language Runtime)内部需要切换很多状态。
        • 托管类型和非托管类型之间的转换。 数据转换非常耗时转换过程中可能还会产生内存的管理和分配。 例如：C# 的string是用unicode 宽字符表示的 C/C++就是一个字符指针char*指向以一个已经结尾的内存。

      • 一些建议

        • 应当尽量减少对P/Invoke的调用
        • P/Invoke调用最好是粗粒度的，这个和网络通信所遵守的原则一样，尽量减少往返一次性做更多的事情。

    • 编写函数原型　　　　

      • 非托管函数原型

        • BOOL　WINAPI Beep（_in DWORD dwFreq,_in DWORD dwDuration）　
          Parameters
          dwFreq [in]

          The frequency of the sound, in hertz. This parameter must be in the range 37 through 32,767 (0x25 through 0x7FFF).

          dwDuration [in]
          Return value

          If the function succeeds, the return value is nonzero.

          If the function fails, the return value is zero. To get extended error information, call 

          Requirements

          DLL  Kernel32.dll

      • 托管原型

        • public static extern bool Beep([In]uint dwFreq, [In] uint dwDuration);

    • 关于[In]/[Out]

      • [In] 从调用者传递到被调用者
      • [Out]从被调用者传递到调用者
      • [In,Out]先从调用者传递到被调用者，然后从被调用者传回到调用者

    • 添加Attribute

      • 代码段 
        [DllImportAttribute("kernel32.dll")]
public static extern bool Beep([In]uint dwFreq, [In] uint dwDuration);

        CLR会找到kernel32.dll使用loadlibrary函数加载起来，然后通过GetProcAddress函数查找到Beep入口点地址，然后就可以通过入口点地址调用Beep函数。在调用之前CLR会做一些状态切换，需要进行参数转换.NET的32int 转换为 c++的32整型（在这里由于.NET的int 和c++的32整形是一样的所以不用转换可以直接传递）。但是也有复杂的情况，在字符串的情况下CRl需要把字符串内容备份拷贝，转换编码以结尾的字符串内存传递给c++。

    • DllImportAttribute

      　　DllImportAttribute（string dllName） dllName指定要调用的API所位于的DLL

      • CallingConvention=调用约定   调用者和被调用者之间的约定 

        • 参数   
          • 是放在栈上还是寄存器上？
          • 参数以什么顺序放？
          • 谁放这些参数？（调用者放）
          • 谁负责清理堆栈？
            • 不同编译器设定的栈结构不尽相同，跨开发平台时由函数调用者清除栈内数据不可行。
            • 某些函数的参数是可变的，如printf函数，这样的函数只能由函数调用者清除栈内数据。
            • 由调用者清除栈内数据时，每次调用都包含清除栈内数据的代码，故可执行文件较大。
          • 进栈顺序？　　
        • 对函数名也有影响
        •  C语言编译器函数名称修饰规则
                 __stdcall：编译后，函数名被修饰为“_functionname@number”。
                 __cdecl：编译后，函数名被修饰为“_functionname”。
                 __fastcall：编译后，函数名给修饰为“@functionname@nmuber”。
                 注：“functionname”为函数名，“number”为参数字节数。
                 注：函数实现和函数定义时如果使用了不同的函数调用协议，则无法实现函数调用。
           C++语言编译器函数名称修饰规则
                 __stdcall：编译后，函数名被修饰为“?functionname@@YG******@Z”。
                 __cdecl：编译后，函数名被修饰为“?functionname@@YA******@Z”。
                 __fastcall：编译后，函数名被修饰为“?functionname@@YI******@Z”。
                 注：“******”为函数返回值类型和参数类型表。
                 注：函数实现和函数定义时如果使用了不同的函数调用协议，则无法实现函数调用。
                 C语言和C++语言间如果不进行特殊处理，也无法实现函数的互相调用。
        • WinAPI 此成员实际上不是调用约定，而是使用了默认平台的调用约定。例如Windows上默认StdCall，在WindowsCE.NET上默认为Cdecl
        • Cdecl 调用方法清理堆栈。这使您能够调用具有varargs（可变参数）的函数（如Printf），C/C++默认的函数调用协议,函数参数由右向左入栈，函数调用结束后由函数调用者清除栈内数据。
        • FastCall  适用于对性能要求较高的场合。从左开始不大于4字节的两个参数放入CPU的ECX和EDX寄存器，其余参数从右向左入栈。函数调用结束后由被调用函数清除栈内数据。在寄存器中放入不大于4字节的参数，故性能较高，适用于需要高性能的场合。
        • StdCall  被调用方法清理堆栈。这是使用平台invoke调用非托管函数的默认约定。 Windows API默认的函数调用协议，函数参数由右向左入栈。函数调用结束后由被调用函数清除栈内数据。
        • ThisCall 第一个参数是this指针，它存储在寄存器ECX中。其他参数从右往左被推送到堆栈上。此调用约定用于对从非托管DLL导出的类调用方法 ，被调用者清理。　

      • CharSet=字符集

        • ANSI、Unicode（c#为16位）、Auto　　

      • EntryPoint=入口点

        • 函数入口点　　　　　

        • 缺省为托管函数的名字　　　

      • ExactSpelling=准确命名(精确查找)

        • 使用指定名称查找函数，关闭Probing（探测）特性　　
        • Probing指对函数正确名称进行猜测行为　　

      • SetLastError=上次错误值

        • 保存上次的错误值 防止其他API调用冲掉P/Invoke的Error值
        • 使用Marshal.GetlastWin32Error API获得

      • 其他

        • PreserveSig=保持函数参数，是否自动进行retval返回值和HRESULT到异常转换
        • BestFitMapping=字符最佳映射（如∞转换到8）
        • ThrowOnUnmappableChar=无映射时抛出异常　　　　

    • Demo

      •  1 using System;
 2 using System.Collections.Generic;
 3 using System.Linq;
 4 using System.Runtime.InteropServices;
 5 using System.Text;
 6 using System.Threading.Tasks;
 7 
 8 namespace demo1
 9 {
10 
11 
12     [StructLayoutAttribute(LayoutKind.Sequential)]
13     public struct HWND__
14     {
15 
16         /// int
17         public int unused;
18     }
19 
20     public partial class NativeMethods
21     {
22 
23         /// Return Type: int
24         ///hWnd: HWND->HWND__*
25         ///lpText: LPCSTR->CHAR*
26         ///lpCaption: LPCSTR->CHAR*
27         ///uType: UINT->unsigned int
28         [DllImportAttribute("user32.dll", EntryPoint = "MessageBoxA")]
29         public static extern int MessageBoxA([InAttribute()] System.IntPtr hWnd, [InAttribute()] [MarshalAsAttribute(UnmanagedType.LPStr)] string lpText, [InAttribute()] [MarshalAsAttribute(UnmanagedType.LPStr)] string lpCaption, uint uType);
30 
31     }
32     class Program
33     {
34         /// <summary>
35         /// 用于生成简单的声音
36         /// </summary>
37         /// <param name="dwFreq">    Long，声音频率（从37Hz到32767Hz）。在windows95中忽略</param>
38         /// <param name="dwDuration">    Long，声音的持续时间，以毫秒为单位。如为-1，表示一直播放声音，直到再次调用该函数为止。在windows95中会被忽略</param>
39         /// <returns>Long，TRUE（非零）表示成功，否则返回零。会设置GetLastError</returns>
40         [DllImport("kernel32.dll", CallingConvention = CallingConvention.Winapi, CharSet = CharSet.Unicode, EntryPoint = "Beep", ExactSpelling = true, SetLastError = true)]
41         public static extern bool Beep([In]int dwFreq, [In] int dwDuration);
42 
43         [DllImport("user32.dll", CharSet = CharSet.Unicode, EntryPoint = "MessageBox")]
44         public static extern bool MsgBox(IntPtr hwnd,string text, string  caption ,int type);
45 
46 
47         static void Main(string[] args)
48         {
49             NativeMethods.MessageBoxA(IntPtr.Zero, "123", "321", 0);
50           //  Marshal.GetLastWin32Error();
51             MsgBox(IntPtr.Zero, "123", "321",2);
52           
53             int[] ss = new int[7] { 262, 294, 330, 349, 392, 440, 494 };
54 
55             for (int i = 1; i < 8; i++)
56             {
57                 Beep(ss[i-1] / 2, 500);
58                 Console.WriteLine("低" + i);
59                 Beep(0, 1000);
60  
61              
62             }
63             for (int i = 1; i < 8; i++)
64             {
65                 Beep(ss[i - 1] , 500);
66                 Console.WriteLine("中" + i);
67                 Beep(0, 1000);
68             }
69             for (int i = 1; i < 8; i++)
70             {
71                 Beep(ss[i - 1] * 2, 500);
72                 Console.WriteLine("高" + i);
73                 Beep(0, 1000);
74             }
75 
76 
77             //C#自带的应该也是通过上面的手段调用winapi
78             int x = 9;
79             //
80             if (
81                 ((x >= 1) && (x <= 9)))
82             {
83                 for (int i = 1; i <= x; i++)
84                 {
85                     Console.WriteLine("Beep number {0}.", i);
86                     Console.Beep(1111, 1111);
87                 }
88             }
89             else
90                 Console.WriteLine("Usage: Enter the number of times (between 1 and 9) to beep.");
91 
92         }
93  
94     }
95 }

    • 推荐工具

    　　　PInvokeInteropAssistant

    • 声明


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