C#与C++交互开发系列（四）：使用C++/CLI进行互操作

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欢迎来到C#与C++交互开发系列的第四篇。在这篇博客中，我们将深入探讨使用C++/CLI进行互操作的方法和技巧。C++/CLI（Common Language Infrastructure）是C++与.NET框架之间的桥梁，能够让C++代码与托管代码无缝集成。

4.1 什么是C++/CLI？

C++/CLI是微软为C++添加的一组扩展，不仅允许C++代码调用.NET Framework的类库，还能让.NET语言如C#、F#和VB.NET调用C++的函数和类，使其能够与.NET平台互操作。通过C++/CLI，我们可以在同一个项目中使用托管代码（C#、VB.NET等）和非托管代码（原生C++），在需要高性能代码的场合可以使用C++，而在需要高级抽象和框架支持的地方则可以使用.NET，实现跨语言调用和数据交换。

C++/CLI的关键特性包括：

支持托管和非托管代码混合编写
能够直接访问.NET类库
提供垃圾回收和内存管理功能

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4.2 C++/CLI的基本语法

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在编写C++/CLI代码时，我们需要理解一些基本的语法和关键字。

4.2.1 ref类和值类

在C++/CLI中，托管类（Managed Class）使用ref class关键字定义，而托管结构体（Managed Struct）使用value class定义。

// 托管类示例
public ref class MyClass
{
public:void MyMethod() {Console::WriteLine("Hello from MyClass");}
};// 托管结构体示例
public value class MyStruct
{
public:int x;int y;
};

4.2.2 gcnew关键字

在C++/CLI中，使用gcnew关键字来创建托管类型的实例，它类似于C#中的new，但是gcnew会触发垃圾回收机制，从而不需要手动管理内存。

MyClass^ myClassInstance = gcnew MyClass();
myClassInstance->MyMethod();

4.2.3 内存管理

C++/CLI中的托管类型由.NET的垃圾回收器（GC）自动管理，而非托管类型仍需手动管理内存。使用C++/CLI可以简化内存管理，减少内存泄漏的风险。使得开发者能够专注于业务逻辑而不是低级的资源管理。

4.3 创建简单的C++/CLI项目

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为了理解C++/CLI的基本用法，我们来创建一个简单的C++/CLI项目，并实现一个基础的互操作示例。

Step 1: 创建C++/CLI项目

打开Visual Studio，创建一个新的项目。
选择 C++ 动态库模板，并命名为MyCppCliLibrary。
确保项目类型设置为DLL。

4.公共语言运行时选择，.NET 运行时支持(/clr:netcore)和.NET目标框架版本选择.NET 8.0

Step 2: 编写C++/CLI代码

在MyCppCliLibrary项目中，添加以下代码：

// MyCppCliLibrary.h
#pragma onceusing namespace System;namespace MyCppCliLibrary {public ref class Calculator{public:int Add(int a, int b) {return a + b;}};
}

这个简单的示例定义了一个Calculator类，包含一个Add方法，用于计算两个整数的和。

Step 3: 编译C++/CLI项目

编译项目生成MyCppCliLibrary.dll文件。

4.4 C++/CLI与C#的互操作

接下来，我们在C#项目中调用这个C++/CLI库。创建一个新的C#控制台应用程序，并添加对MyCppCliLibrary.dll的引用。

Step 4: 在C#中调用C++/CLI库

在C#项目中添加以下代码：

using System;
using MyCppCliLibrary;class Program
{static void Main(){Calculator calculator = new Calculator();int result = calculator.Add(3, 4);Console.WriteLine($"3 + 4 = {result}");}
}

运行程序，输出结果3 + 4 = 7。
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4.5 性能比较和优化

虽然C++/CLI提供了便利的互操作，但性能方面可能不如纯C++或纯C#代码。性能优化通常涉及减少托管和非托管代码间的边界跨越，因为每次跨越都会产生一定的开销。以下是一些性能优化的建议：

减少托管和非托管代码的切换：频繁切换会带来额外的性能开销，尽量将相关操作集中在一起。
使用本地变量：避免在托管堆和非托管堆之间频繁分配和释放内存。
合理使用pin_ptr：在需要将托管数组传递给非托管代码时，使用pin_ptr可以避免内存复制，提高性能。

4.6 代码示例

为了展示更复杂的互操作场景，我们来看一个包含托管数组和非托管指针的示例。

Step 1: 更新C++/CLI代码

// MyCppCliLibrary.h
#pragma onceusing namespace System;namespace MyCppCliLibrary {public ref class Calculator{public:int Add(int a, int b) {return a + b;}void MultiplyArray(array<int>^ managedArray, int factor) {pin_ptr<int> pinnedArray = &managedArray[0];int* nativeArray = pinnedArray;for (int i = 0; i < managedArray->Length; i++) {nativeArray[i] *= factor;}}};
}

Step 2: 编译C++/CLI项目

编译项目生成MyCppCliLibrary.dll文件。

Step 3: 在C#中调用更新后的C++/CLI库

在C#项目中添加以下代码：

using System;
using MyCppCliLibrary;class Program
{static void Main(){Calculator calculator = new Calculator();// 调用Add方法int sum = calculator.Add(3, 4);Console.WriteLine($"3 + 4 = {sum}");// 调用MultiplyArray方法int[] array = { 1, 2, 3, 4, 5 };calculator.MultiplyArray(array, 2);Console.WriteLine("Array after multiplication:");foreach (int value in array){Console.WriteLine(value);}}
}

运行程序，输出结果：

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4.6 总结

在这篇博客中，我们介绍了使用C++/CLI进行C#与C++互操作的方法和技巧。通过C++/CLI，我们可以轻松地在C#中调用C++代码，实现跨语言的功能集成。C++/CLI是一个强大的工具，它融合了C++的强大功能和.NET的灵活性，使得在不同语言环境下的代码集成变得更加容易。不过，在设计系统架构时，应当考虑到性能和维护性的平衡，以决定何时使用C++/CLI进行互操作。我们还讨论了性能优化的一些建议。在下一篇博客中，我们将探讨更高级的P/Invoke技巧，进一步提升我们的互操作能力。