C#与C++代码的互操作方式

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所属分类:.NET技术
摘要

在写C#程序时经常有与本地代码(C/C++)代码交互的需求。微软提供了许多种方式供我们选择,
最常用的有以下三种(A->B指A可以引用B):

title: C#与C++代码的互操作方式 date: 2024-01-10 categories: 编程 tags: - C# - .NET - C++ - COM - 平台调用 

大致介绍

在写C#程序时经常有与本地代码(C/C++)代码交互的需求。微软提供了许多种方式供我们选择,
最常用的有以下三种(A->B指A可以引用B):

flowchart LR A--P/Invoke-->B A<--C++ Interop-->C A<--COM Interop-->D D<-->C-->B subgraph 托管环境 A[.NET应用程序] end subgraph 非托管环境 B[C 库函数] C[C++ 类库] D[COM组件] end
  • P/Invoke (Platform Invoke):平台调用,是一种用于和非托管函数进行交互的技术,
    在调用Windows API的时候有大量的运用。特点是无需编写兼容层代码即可使用。
  • C++ Interop:托管C++,使用C++/CLI (Common Language Infrastructure)语言,
    特点是可以将托管代码和非托管代码写在一个文件/程序集里,从而使得它十分灵活,它本质上还是平台调用。
  • COM (Component Object Model):组件对象模型,是微软早在.NET出现之前就提出的一种Windows开发技术,
    现在Windows中到处都有它参与。虽然它是很老的技术,但在最新的技术中也可以看到它的身影(如WinUI3)。
    需不需要写兼容层代码取决于原来的代码有没有使用COM,如Win32就没有使用,而WinRT使用了。

那么如何从这之中选择呢?以下列出了三种方式的大致区别:

P/Invoke C++ Interop COM Interop
支持平台 全平台 仅Windows 理论上全平台
语言 标准C/C++ C++/CLI IDL
导出对象 函数
引用方式 DllImport 直接引用 ComImport
上手难度 几乎无难度 简单 复杂
兼容层代码 不需要 需要 可能需要

性能测试

选择一种技术最重要的指标就是效率了,我测试了三种技术分别在大量调用、大量执行次数情况下的表现情况。
调用次数是由托管代码实现的(即调用Test的次数),执行次数是由本地代码实现的(即传入的参数executions)。
我选择了IsWindows10OrGreater函数进行调用测试:

HRESULT Test(int executions) {     for (int i = 0; i < executions; ++i)     {         IsWindows10OrGreater();     }     return S_OK; } 

源代码可以参见仓库[1]
我在Windows11 64位系统下运行,使用.NET 8运行时,以下是测试结果:

调用/执行次数 P/Invoke C++ Interop COM Interop
1000000/1 01.162s 01.327s 32.504s
1/1000000 01.054s 01.294s 01.063s

可见除了大量调用COM,其他的方法效率都差不多。这是因为每次调用COM都会产生一个COM对象,
从而导致速度很慢。三种方法都有类型封送(Marshal)操作,这也是最花时间部分,所以使用时间都差不多。
可以从下面流程图了解大致流程:

P/Invoke流程图

flowchart LR B-->C-->F--平台调用<br/>封送处理-->G D~~~E subgraph 非托管 subgraph G[DLL] A[非托管函数] end end subgraph 托管 B[托管源代码] C[编译器] subgraph CLR subgraph F[程序集] direction TB D[元数据] E[IL代码] end end end

COM流程图

flowchart LR X--IDispatch---F Y--ISimpleCOMCalculator---F Z--IUnknown---F A-->B C-->D-->B-->E-->Y subgraph 托管代码 A[托管应用程序] B[元数据代理] C[COM组件类型库] D([类型库导入程序<br/>TlbImp.exe]) end E[运行库课调用包装<br/>RCW] subgraph 非托管COM代码 F[COM对象] X(( )) Y(( )) Z(( )) end

个人看法

P/Invoke的两端是标准的C/C++和标准的C#(.NET)代码,是保持可移植性、可读性的不二之选。
平台调用流程相对简单,过程更加透明,在绝大多数情况下都应该选择它。
但它的缺点是无法导出类,如果大型项目有面对对象的需求(类似于DirectX)则不是最优选择。

C++ Interop灵活性非常高,可以准确控制封送过程,所以性能理论上也更好。
但是缺点[2]也更严重,它只能面向Windows平台,
很多情况下这个缺点是不能接受的。如果目标项目是只面向Windows平台(如WinForm,WPF等),
且要调用大量本地API,而且对性能要求较苛刻的情况下,可以考虑使用。

COM有着很复杂的内部结构,学习成本较高。如果写小型项目,即使有面向对象的需求也不需要使用它。
但如果接触Windows平台编程,几乎绕不开调用COM,所以也要对调用COM代码有一定程度的了解。
同时也要避免创建大量COM对象,这可能导致性能低下。

可以参考《精通.NET互操作 P/Invoke,C++Interop和COM Interop》[3]这本书来学习。


  1. InteropPerformanceTest ↩︎

  2. C++/CLI .NET Core 限制 ↩︎

  3. 《精通.NET互操作 P/Invoke,C++Interop和COM Interop》 黄际洲 崔晓源 著 ↩︎