C#与C++代码的互操作方式

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	类	类
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。

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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 ↩︎