C#中使用Win32和其他库

C# 用户经常提出两个问题：“我为什么要另外编写代码来使用内置于 Windows 中的功能？在框架中为什么没有相应的内容可以为我完成这一任务？”当框架小组构建他们的 .NET 部分时，他们评估了为使 .NET 程序员可以使用 Win32 而需要完成的工作，结果发现 Win32 API 集非常庞大。他们没有足够的资源为所有 Win32 API 编写托管接口、加以测试并编写文档，因此只能优先处理最重要的部分。许多常用操作都有托管接口，但是还有许多完整的 Win32 部分没有托管接口。

平台调用 (P/Invoke) 是完成这一任务的最常用方法。要使用 P/Invoke，您可以编写一个描述如何调用函数的原型，然后运行时将使用此信息进行调用。另一种方法是使用 Managed Extensions to C++ 来包装函数，这部分内容将在以后的专栏中介绍。

要理解如何完成这一任务，最好的办法是通过示例。在某些示例中，我只给出了部分代码；完整的代码可以通过下载获得。

简单示例

在第一个示例中，我们将调用 Beep() API 来发出声音。首先，我需要为 Beep() 编写适当的定义。查看 MSDN 中的定义，我发现它具有以下原型：

BOOL Beep(
DWORD dwFreq, // 声音频率
DWORD dwDuration // 声音持续时间
);


要用 C# 来编写这一原型，需要将 Win32 类型转换成相应的 C# 类型。由于 DWORD 是 4 字节的整数，因此我们可以使用 int 或 uint 作为 C# 对应类型。由于 int 是 CLS 兼容类型（可以用于所有 .NET 语言），以此比 uint 更常用，并且在多数情况下，它们之间的区别并不重要。bool 类型与 BOOL 对应。现在我们可以用 C# 编写以下原型：

public static extern bool Beep(int frequency, int duration);

这是相当标准的定义，只不过我们使用了 extern 来指明该函数的实际代码在别处。此原型将告诉运行时如何调用函数；现在我们需要告诉它在何处找到该函数。

我们需要回顾一下 MSDN 中的代码。在参考信息中，我们发现 Beep() 是在 kernel32.lib 中定义的。这意味着运行时代码包含在 kernel32.dll 中。我们在原型中添加 DllImport 属性将这一信息告诉运行时：

[DllImport("kernel32.dll")]

这就是我们要做的全部工作。下面是一个完整的示例，它生成的随机声音在二十世纪六十年代的科幻电影中很常见。



using System;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace Beep
{
class Class1
{
[DllImport("kernel32.dll")]
public static extern bool Beep(int frequency, int duration);

static void Main(string[] args)
{
Random random = new Random();

for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
Beep(random.Next(10000), 100);
}
}
}
}


它的声响足以刺激任何听者！由于 DllImport 允许您调用 Win32 中的任何代码，因此就有可能调用恶意代码。所以您必须是完全受信任的用户，运行时才能进行 P/Invoke 调用。

枚举和常量

Beep() 可用于发出任意声音，但有时我们希望发出特定类型的声音，因此我们改用 MessageBeep()。MSDN 给出了以下原型：



BOOL MessageBeep(
UINT uType // 声音类型
);


这看起来很简单，但是从注释中可以发现两个有趣的事实。

首先，uType 参数实际上接受一组预先定义的常量。

其次，可能的参数值包括 -1，这意味着尽管它被定义为 uint 类型，但 int 会更加适合。

对于 uType 参数，使用 enum 类型是合乎情理的。MSDN 列出了已命名的常量，但没有就具体值给出任何提示。由于这一点，我们需要查看实际的 API。

如果您安装了 Visual Studio? 和 C++，则 Platform SDK 位于 Program FilesMicrosoft Visual Studio .NETVc7PlatformSDKInclude 下。

为查找这些常量，我在该目录中执行了一个 findstr。

findstr "MB_ICONHAND" *.h

它确定了常量位于 winuser.h 中，然后我使用这些常量来创建我的 enum 和原型：



public enum BeepType
{
SimpleBeep = -1,
IconAsterisk = 0x00000040,
IconExclamation = 0x00000030,
IconHand = 0x00000010,
IconQuestion = 0x00000020,
Ok = 0x00000000,
}

[DllImport("user32.dll")]
public static extern bool MessageBeep(BeepType beepType);


现在我可以用下面的语句来调用它： MessageBeep(BeepType.IconQuestion);

处理结构

有时我需要确定我笔记本的电池状况。Win32 为此提供了电源管理函数。

搜索 MSDN 可以找到 GetSystemPowerStatus() 函数。



BOOL GetSystemPowerStatus(
LPSYSTEM_POWER_STATUS lpSystemPowerStatus
);


此函数包含指向某个结构的指针，我们尚未对此进行过处理。要处理结构，我们需要用 C# 定义结构。我们从非托管的定义开始：



typedef struct _SYSTEM_POWER_STATUS {
BYTE ACLineStatus;
BYTE BatteryFlag;
BYTE BatteryLifePercent;
BYTE Reserved1;
DWORD BatteryLifeTime;
DWORD BatteryFullLifeTime;
} SYSTEM_POWER_STATUS, *LPSYSTEM_POWER_STATUS;


然后，通过用 C# 类型代替 C 类型来得到 C# 版本。



struct SystemPowerStatus
{
byte ACLineStatus;
byte batteryFlag;
byte batteryLifePercent;
byte reserved1;
int batteryLifeTime;
int batteryFullLifeTime;
}


这样，就可以方便地编写出 C# 原型：



[DllImport("kernel32.dll")]
public static extern bool GetSystemPowerStatus(
ref SystemPowerStatus systemPowerStatus);


在此原型中，我们用“ref”指明将传递结构指针而不是结构值。这是处理通过指针传递的结构的一般方法。

此函数运行良好，但是最好将 ACLineStatus 和 batteryFlag 字段定义为 enum：



enum ACLineStatus: byte
{
Offline = 0,
Online = 1,
Unknown = 255,
}

enum BatteryFlag: byte
{
High = 1,
Low = 2,
Critical = 4,
Charging = 8,
NoSystemBattery = 128,
Unknown = 255,
}


请注意，由于结构的字段是一些字节，因此我们使用 byte 作为该 enum 的基本类型。

字符串

虽然只有一种 .NET 字符串类型，但这种字符串类型在非托管应用中却有几项独特之处。可以使用具有内嵌字符数组的字符指针和结构，其中每个数组都需要正确的封送处理。

在 Win32 中还有两种不同的字符串表示：

ANSI
Unicode

最初的 Windows 使用单字节字符，这样可以节省存储空间，但在处理很多语言时都需要复杂的多字节编码。Windows NT? 出现后，它使用双字节的 Unicode 编码。为解决这一差别，Win32 API 采用了非常聪明的做法。它定义了 TCHAR 类型，该类型在 Win9x 平台上是单字节字符，在 WinNT 平台上是双字节 Unicode 字符。对于每个接受字符串或结构（其中包含字符数据）的函数，Win32 API 均定义了该结构的两种版本，用 A 后缀指明 Ansi 编码，用 W 指明 wide 编码（即 Unicode）。如果您将 C++ 程序编译为单字节，会获得 A 变体，如果编译为 Unicode，则获得 W 变体。Win9x 平台包含 Ansi 版本，而 WinNT 平台则包含 W 版本。

由于 P/Invoke 的设计者不想让您为所在的平台操心，因此他们提供了内置的支持来自动使用 A 或 W 版本。如果您调用的函数不存在，互操作层将为您查找并使用 A 或 W 版本。

通过示例能够很好地说明字符串支持的一些精妙之处。

简单字符串

下面是一个接受字符串参数的函数的简单示例：



BOOL GetDiskFreeSpace(
LPCTSTR lpRootPathName, // 根路径
LPDWORD lpSectorsPerCluster, // 每个簇的扇区数
LPDWORD lpBytesPerSector, // 每个扇区的字节数
LPDWORD lpNumberOfFreeClusters, // 可用的扇区数
LPDWORD lpTotalNumberOfClusters // 扇区总数
);


根路径定义为 LPCTSTR。这是独立于平台的字符串指针。

由于不存在名为 GetDiskFreeSpace() 的函数，封送拆收器将自动查找“A”或“W”变体，并调用相应的函数。我们使用一个属性来告诉封送拆收器，API 所要求的字符串类型。

以下是该函数的完整定义，就象我开始定义的那样：



[DllImport("kernel32.dll")]
static extern bool GetDiskFreeSpace(
[MarshalAs(UnmanagedType.LPTStr)]
string rootPathName,
ref int sectorsPerCluster,
ref int bytesPerSector,
ref int numberOfFreeClusters,
ref int totalNumberOfClusters);


不幸的是，当我试图运行时，该函数不能执行。问题在于，无论我们在哪个平台上，封送拆收器在默认情况下都试图查找 API 的 Ansi 版本，由于 LPTStr 意味着在 Windows NT 平台上会使用 Unicode 字符串，因此试图用 Unicode 字符串来调用 Ansi 函数就会失败。

有两种方法可以解决这个问题：一种简单的方法是删除 MarshalAs 属性。如果这样做，将始终调用该函数的 A 版本，如果在您所涉及的所有平台上都有这种版本，这是个很好的方法。但是，这会降低代码的执行速度，因为封送拆收器要将 .NET 字符串从 Unicode 转换为多字节，然后调用函数的 A 版本（将字符串转换回 Unicode），最后调用函数的 W 版本。

要避免出现这种情况，您需要告诉封送拆收器，要它在 Win9x 平台上时查找 A 版本，而在 NT 平台上时查找 W 版本。要实现这一目的，可以将 CharSet 设置为 DllImport 属性的一部分：

[DllImport("kernel32.dll", CharSet = CharSet.Auto)]

在我的非正式计时测试中，我发现这一做法比前一种方法快了大约百分之五。

对于大多数 Win32 API，都可以对字符串类型设置 CharSet 属性并使用 LPTStr。但是，还有一些不采用 A/W 机制的函数，对于这些函数必须采取不同的方法。

字符串缓冲区

.NET 中的字符串类型是不可改变的类型，这意味着它的值将永远保持不变。对于要将字符串值复制到字符串缓冲区的函数，字符串将无效。这样做至少会破坏由封送拆收器在转换字符串时创建的临时缓冲区；严重时会破坏托管堆，而这通常会导致错误的发生。无论哪种情况都不可能获得正确的返回值。

要解决此问题，我们需要使用其他类型。StringBuilder 类型就是被设计为用作缓冲区的，我们将使用它来代替字符串。下面是一个示例：



[DllImport("kernel32.dll", CharSet = CharSet.Auto)]
public static extern int GetShortPathName(
[MarshalAs(UnmanagedType.LPTStr)]
string path,
[MarshalAs(UnmanagedType.LPTStr)]
StringBuilder shortPath,
int shortPathLength);


使用此函数很简单：



StringBuilder shortPath = new StringBuilder(80);
int result = GetShortPathName(
@"d: est.jpg", shortPath, shortPath.Capacity);
string s = shortPath.ToString();


请注意，StringBuilder 的 Capacity 传递的是缓冲区大小。

具有内嵌字符数组的结构

某些函数接受具有内嵌字符数组的结构。例如，GetTimeZoneInformation() 函数接受指向以下结构的指针：



typedef struct _TIME_ZONE_INFORMATION {
LONG Bias;
WCHAR StandardName[ 32 ];
SYSTEMTIME StandardDate;
LONG StandardBias;
WCHAR DaylightName[ 32 ];
SYSTEMTIME DaylightDate;
LONG DaylightBias;
} TIME_ZONE_INFORMATION, *PTIME_ZONE_INFORMATION;


在 C# 中使用它需要有两种结构。一种是 SYSTEMTIME，它的设置很简单：



struct SystemTime
{
public short wYear;
public short wMonth;
public short wDayOfWeek;
public short wDay;
public short wHour;
public short wMinute;
public short wSecond;
public short wMilliseconds;
}


这里没有什么特别之处；另一种是 TimeZoneInformation，它的定义要复杂一些：



[StructLayout(LayoutKind.Sequential, CharSet = CharSet.Unicode)]
struct TimeZoneInformation
{
public int bias;
[MarshalAs(UnmanagedType.ByValTStr, SizeConst = 32)]
public string standardName;
SystemTime standardDate;
public int standardBias;
[MarshalAs(UnmanagedType.ByValTStr, SizeConst = 32)]
public string daylightName;
SystemTime daylightDate;
public int daylightBias;
}


此定义有两个重要的细节。第一个是 MarshalAs 属性：

[MarshalAs(UnmanagedType.ByValTStr, SizeConst = 32)]

查看 ByValTStr 的文档，我们发现该属性用于内嵌的字符数组；另一个是 SizeConst，它用于设置数组的大小。

我在第一次编写这段代码时，遇到了执行引擎错误。通常这意味着部分互操作覆盖了某些内存，表明结构的大小存在错误。我使用 Marshal.SizeOf() 来获取所使用的封送拆收器的大小，结果是 108 字节。我进一步进行了调查，很快回忆起用于互操作的默认字符类型是 Ansi 或单字节。而函数定义中的字符类型为 WCHAR，是双字节，因此导致了这一问题。

我通过添加 StructLayout 属性进行了更正。结构在默认情况下按顺序布局，这意味着所有字段都将以它们列出的顺序排列。CharSet 的值被设置为 Unicode，以便始终使用正确的字符类型。

经过这样处理后，该函数一切正常。您可能想知道我为什么不在此函数中使用 CharSet.Auto。这是因为，它也没有 A 和 W 变体，而始终使用 Unicode 字符串，因此我采用了上述方法编码。

具有回调的函数

当 Win32 函数需要返回多项数据时，通常都是通过回调机制来实现的。开发人员将函数指针传递给函数，然后针对每一项调用开发人员的函数。

在 C# 中没有函数指针，而是使用“委托”，在调用 Win32 函数时使用委托来代替函数指针。

EnumDesktops() 函数就是这类函数的一个示例：



BOOL EnumDesktops(
HWINSTA hwinsta, // 窗口实例的句柄
DESKTOPENUMPROC lpEnumFunc, // 回调函数
LPARAM lParam // 用于回调函数的值
);


HWINSTA 类型由 IntPtr 代替，而 LPARAM 由 int 代替。DESKTOPENUMPROC 所需的工作要多一些。下面是 MSDN 中的定义：



BOOL CALLBACK EnumDesktopProc(
LPTSTR lpszDesktop, // 桌面名称
LPARAM lParam // 用户定义的值
);


我们可以将它转换为以下委托：



delegate bool EnumDesktopProc(
[MarshalAs(UnmanagedType.LPTStr)]
string desktopName,
int lParam);


完成该定义后，我们可以为 EnumDesktops() 编写以下定义：



[DllImport("user32.dll", CharSet = CharSet.Auto)]
static extern bool EnumDesktops(
IntPtr windowStation,
EnumDesktopProc callback,
int lParam);


这样该函数就可以正常运行了。

在互操作中使用委托时有个很重要的技巧：封送拆收器创建了指向委托的函数指针，该函数指针被传递给非托管函数。但是，封送拆收器无法确定非托管函数要使用函数指针做些什么，因此它假定函数指针只需在调用该函数时有效即可。

结果是如果您调用诸如 SetConsoleCtrlHandler() 这样的函数，其中的函数指针将被保存以便将来使用，您就需要确保在您的代码中引用委托。如果不这样做，函数可能表面上能执行，但在将来的内存回收处理中会删除委托，并且会出现错误。

其他高级函数

迄今为止我列出的示例都比较简单，但是还有很多更复杂的 Win32 函数。下面是一个示例：



DWORD SetEntriesInAcl(
ULONG cCountOfExplicitEntries, // 项数
PEXPLICIT_ACCESS pListOfExplicitEntries, // 缓冲区
PACL OldAcl, // 原始 ACL
PACL *NewAcl // 新 ACL
);


前两个参数的处理比较简单：ulong 很简单，并且可以使用 UnmanagedType.LPArray 来封送缓冲区。

但第三和第四个参数有一些问题。问题在于定义 ACL 的方式。ACL 结构仅定义了 ACL 标头，而缓冲区的其余部分由 ACE 组成。ACE 可以具有多种不同类型，并且这些不同类型的 ACE 的长度也不同。

如果您愿意为所有缓冲区分配空间，并且愿意使用不太安全的代码，则可以用 C# 进行处理。但工作量很大，并且程序非常难调试。而使用 C++ 处理此 API 就容易得多。

属性的其他选项

DLLImport 和 StructLayout 属性具有一些非常有用的选项，有助于 P/Invoke 的使用。下面列出了所有这些选项：

DLLImport

CallingConvention

您可以用它来告诉封送拆收器，函数使用了哪些调用约定。您可以将它设置为您的函数的调用约定。通常，如果此设置错误，代码将不能执行。但是，如果您的函数是 Cdecl 函数，并且使用 StdCall（默认）来调用该函数，那么函数能够执行，但函数参数不会从堆栈中删除，这会导致堆栈被填满。

CharSet

控制调用 A 变体还是调用 W 变体。

EntryPoint

此属性用于设置封送拆收器在 DLL 中查找的名称。设置此属性后，您可以将 C# 函数重新命名为任何名称。

ExactSpelling

将此属性设置为 true，封送拆收器将关闭 A 和 W 的查找特性。

PreserveSig

COM 互操作使得具有最终输出参数的函数看起来是由它返回的该值。此属性用于关闭这一特性。

SetLastError

确保调用 Win32 API SetLastError()，以便您找出发生的错误。

StructLayout

LayoutKind

结构在默认情况下按顺序布局，并且在多数情况下都适用。如果需要完全控制结构成员所放置的位置，可以使用 LayoutKind.Explicit，然后为每个结构成员添加 FieldOffset 属性。当您需要创建 union 时，通常需要这样做。

CharSet

控制 ByValTStr 成员的默认字符类型。

Pack

设置结构的压缩大小。它控制结构的排列方式。如果 C 结构采用了其他压缩方式，您可能需要设置此属性。

Size

设置结构大小。不常用；但是如果需要在结构末尾分配额外的空间，则可能会用到此属性。

从不同位置加载

您无法指定希望 DLLImport 在运行时从何处查找文件，但是可以利用一个技巧来达到这一目的。

DllImport 调用 LoadLibrary() 来完成它的工作。如果进程中已经加载了特定的 DLL，那么即使指定的加载路径不同，LoadLibrary() 也会成功。

这意味着如果直接调用 LoadLibrary()，您就可以从任何位置加载 DLL，然后 DllImport LoadLibrary() 将使用该 DLL。

由于这种行为，我们可以提前调用 LoadLibrary()，从而将您的调用指向其他 DLL。如果您在编写库，可以通过调用 GetModuleHandle() 来防止出现这种情况，以确保在首次调用 P/Invoke 之前没有加载该库。

P/Invoke 疑难解答

如果您的 P/Invoke 调用失败，通常是因为某些类型的定义不正确。以下是几个常见问题：

1.long != long。在 C++ 中，long 是 4 字节的整数，但在 C# 中，它是 8 字节的整数。

2.字符串类型设置不正确。