C#的三大难点之二：托管与非托管

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托管代码与非托管代码

众所周知，我们正常编程所用的高级语言，是无法被计算机识别的。需要先将高级语言翻译为机器语言，才能被机器理解和运行。
在标准C/C++中，编译过程是这样的：

源代码首先经过预处理器，对头文件以及宏进行解析，然后经过编译器，生成汇编代码，接着，经过汇编，生成机器指令，最后将所有文件连接起来。
这种编译方式的优点在于，最终直接生成了机器码，可以直接被计算机识别和运行，无需任何中间运行环境，但缺点也在于，由于不同平台能够识别的机器码不同，因此程序的跨平台能力较差。
而在Java语言中，源代码并没有被直接翻译成机器码，而是编译成了一种中间代码（字节码Bytecode）。因此，运行Java程序需要一个额外的JRE（Java Runtime Enviromental）运行环境，在JRE中存在着JVM（Java Virtual Mechinal，Java虚拟机），在程序运行的时候，会将中间代码进一步解释为机器码，并在机器上运行。
使用中间代码的好处在于，程序的跨平台性比较好，一次编译，可以在不同的设备上运行。
托管/非托管是微软的.net framework中特有的概念，其中，非托管代码也叫本地（native）代码。与Java中的机制类似，也是先将源代码编译成中间代码（MSIL，Microsoft Intermediate Language），然后再由.net中的CLR将中间代码编译成机器代码。
而C#与Java的区别在于，Java是先编译后解释，C#是两次编译。
托管的方式除了拥有跨平台的优点之外，对程序的性能也产生一定的影响。但程序性能不在本文讨论的范围，这里不在赘述。
此外，在.net中，C++也可以进行托管扩展，从而使C++代码也依赖于.net和CLR运行，获得托管代码的优势。

托管资源与非托管资源

在上一节中，我们讲到，托管代码与非托管代码相比，有下列不同：

1. 编译运行过程不同
2. 跨平台能力不同
3. 程序性能不同

本节中，我们会涉及到托管和非托管的另一个区别：

1. 释放资源的方式不同

在C/C++中，资源都是需要手动释放的，比如，你new了一个指针，用过之后就需要delete掉，否则就会造成内存泄露。
而在Java中，不必考虑资源释放的问题，Java的垃圾回收机制（GC，Garbage Collection）会保证失效的资源被自动释放。
而C#的机制与Java类似，运行于.net平台上的代码，分配的资源一般会自动由平台的垃圾回收器释放，这样的资源就是托管资源。
但是一些例外的资源，如System.IO.StreamReader等各种流、各种连接所分配的资源，需要显式调用Close()或Dispose()释放，这种资源就叫做非托管资源。

托管与非托管的混合编程

在C#的三大难点之前传：什么时候应该使用C#？中我提到过，C#的一大优势在于Windows平台下的界面编程。但由于C#并不是很普及，经常出现底层或后台代码采用C/C++编写的情况，此时，若选择C#作为界面语言，则必然遇到一个C#调用C++代码的问题。
比较普遍的解决方案就是，先将C/C++的代码生成为DLL动态运行库，再在C#中调用。
举个例子
在C中：

#include 
#include 

void DisplayHelloFromDLL()
{
    printf ("Hello from DLL !
");
}

void CallHelloFromDLL(char* cp)
{
    printf (cp);
    printf ("
");
    *cp='a';
    cp++;
    printf (cp);
    printf ("
");
}

在C#中：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;

namespace TestConsole
{
    using System;
    using System.Runtime.InteropServices;     // DLL support

    class Program
    {
        [DllImport(@"TestLib.dll")]
        public static extern void DisplayHelloFromDLL();

        [DllImport(@"TestLib.dll", CallingConvention = CallingConvention.Cdecl)]
        public static extern void CallHelloFromDLL(StringBuilder s);

        static void Main()
        {
            Console.WriteLine("This is C# program");
            DisplayHelloFromDLL();
            StringBuilder sb = new StringBuilder(100);
            CallHelloFromDLL(sb);
            Console.WriteLine(sb);
    }
}

在混合编程中，涉及了几个要点。

1. 如何在DLL中将函数接口暴露出来？
   有两种方式，一种是采用__declspec(dllexport)的声明，另一种是编写额外的def文件，如

   ;导出DLL函数
   LIBRARY testLib
   EXPORTS 
   DisplayHelloFromDLL
   CallHelloFromDLL
   

2. DLL与C#之间如何进行数据传送？
   这个问题其实很复杂，像int，double这种基本的数据类型，是很好传递的。到了byte和char，就有点复杂了，更复杂的还有string和stringBuilder，以及结构体的传递等。
   若传递的是指针，有两种方法，一种是采用托管的方式，使用Intptr存储指针，并使用ref获得地址（&）；另一种是在C#中编写非托管的代码，用unsafe声明：

   unsafe
   {
   //非托管代码
   }
   

   在非托管代码中，即可进行指针相关的操作。
   若传递的是函数指针，由于C#中没有函数指针的概念，因此采用委托（delegate）的方式。 
   若传递的是自定义结构体，也可以采用ref的方式传递。
   这个如果有机会的话，我会单独整理一下。

3. extern “C”、CallingConvention =CallingConvention.Cdecl)等必要声明。
   这里面也牵涉到复杂的语言机制，本文不再赘述。

参考文献：
[译]C++, Java和C#的编译过程解析
编译原理

 

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