C#与C++交互开发系列（十一）：委托和函数指针传递

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前言

在C#与C++的互操作中，委托（delegate）和函数指针的传递是一个复杂但非常强大的功能。这可以实现从C++回调C#方法，或者在C#中调用C++函数指针的能力。无论是跨语言调用回调函数，还是在多线程、异步任务中使用委托，了解两者的传递机制都是非常重要的。本篇文将详细讨论C++中的函数指针和C#中的委托如何跨语言传递，并通过示例代码展示其实现。

一、委托和函数指针简介

C++中的函数指针

在C++中，函数指针是一种可以指向函数的指针，它可以存储函数的地址，并在需要时调用相应的函数。函数指针的定义如下：

// 定义返回类型为int，参数为两个int的函数指针
int (*FuncPtr)(int, int);

C#中的委托

C#中的委托类似于C++中的函数指针，但具有更高的抽象层次。委托是对方法的引用，可以将它们传递给其他方法或作为回调使用。委托的定义如下：

// 定义一个返回类型为int，参数为两个int的委托
public delegate int Operation(int x, int y);

二、C#向C++传递委托

1. 基本流程

在C#中，委托可以被转换为函数指针并传递给C++，让C++调用C#中的回调方法。这种互操作可以通过DllImport和Marshal.GetFunctionPointerForDelegate实现。

C#端：定义委托并将其传递给C++。
C++端：接受函数指针并调用它。

2. 示例：C#委托作为回调函数传递给C++

C++代码：接受并调用函数指针

在C++中，定义一个接受函数指针的函数：

// C++代码 (MyNativeLib.cpp)
extern "C" typedef int (*Callback)(int, int);

extern "C" __declspec(dllexport) void RegisterCallback(Callback cb)
{
    int result = cb(10, 20);  // 调用传递的函数指针
    printf("Callback result: %d\n", result);
}

C#代码：将委托转换为函数指针并传递给C++

在C#中，定义一个委托并将其转换为函数指针传递给C++：

using System;
using System.Runtime.InteropServices;

class Program
{
    // 定义与C++函数指针匹配的委托
    public delegate int Callback(int x, int y);

    // 导入C++函数
    [DllImport("MyNativeLib.dll")]
    public static extern void RegisterCallback(IntPtr callback);

    // 回调函数，符合委托签名
    public static int MyCallback(int x, int y)
    {
        Console.WriteLine($"C# Callback called with values: {x}, {y}");
        return x + y;
    }

    static void Main()
    {
        // 创建委托实例
        Callback cb = new Callback(MyCallback);
        // 将委托转换为函数指针
        IntPtr cbPtr = Marshal.GetFunctionPointerForDelegate(cb);
        // 注册回调
        RegisterCallback(cbPtr);
        // 避免GC回收委托
        GC.KeepAlive(cb);
    }
}

执行结果

C# Callback called with values: 10, 20
Callback result: 30

3. 重要注意事项

防止GC回收：在C#中，委托被当作托管对象，如果没有明确的引用，GC（垃圾回收器）可能会回收该对象，从而导致C++调用时访问非法内存。为此，必须通过GC.KeepAlive确保委托不被回收。
函数签名匹配：C#中的委托签名必须与C++函数指针的签名完全一致，包括参数类型和返回类型，否则会出现运行时错误。

三、C++向C#传递函数指针

1. 基本流程

C++中的函数指针也可以传递给C#，在C#中转换为委托并调用。这通常用于C++库提供回调函数，而C#端需要处理这些回调。

C++端：提供函数指针。
C#端：将函数指针转换为委托并调用。

2. 示例：C++向C#传递函数指针

C++代码：提供函数指针

在C++中，定义一个返回函数指针的函数：

// C++代码 (MyNativeLib.cpp)
extern "C" int Add(int x, int y)
{
    return x + y;
}

extern "C" __declspec(dllexport) int (*GetFunctionPointer())(int, int)
{
    return &Add;  // 返回Add函数的指针
}

C#代码：接收并调用C++的函数指针

在C#中，接收C++返回的函数指针并将其转换为委托：

using System;
using System.Runtime.InteropServices;

class Program
{
    // 定义与C++函数指针匹配的委托
    public delegate int FunctionPointer(int x, int y);

    // 导入C++函数
    [DllImport("MyNativeLib.dll")]
    public static extern IntPtr GetFunctionPointer();

    static void Main()
    {
        // 获取函数指针
        IntPtr ptr = GetFunctionPointer();

        // 将函数指针转换为委托
        FunctionPointer func = (FunctionPointer)Marshal.GetDelegateForFunctionPointer(ptr, typeof(FunctionPointer));

        // 调用函数
        int result = func(5, 7);
        Console.WriteLine($"Result from C++ function: {result}");
    }
}

执行结果

Result from C++ function: 12

3. 重要注意事项

Marshal.GetDelegateForFunctionPointer：该方法用于将C++的函数指针转换为C#的委托，确保类型匹配。
签名一致：与C#向C++传递委托类似，C++函数指针的签名必须与C#中定义的委托签名一致，否则会产生错误。

四、跨语言函数指针和委托的使用场景

回调机制：在C++库中，有时需要通过回调通知C#端某些事件，或者让C#提供逻辑给C++使用，这时可以通过委托和函数指针来实现。例如，图像处理库可以在处理完成后通过回调函数通知C#应用程序。
异步任务：在多线程或异步任务处理中，委托可以作为回调机制使用，确保任务完成后调用特定的函数。
高性能交互：通过直接传递函数指针，减少了复杂的消息传递开销，可以显著提高C#与C++的交互性能。

五、总结

在C#与C++的互操作中，委托和函数指针的传递为跨语言调用提供了强大的灵活性。通过委托，C#可以将方法传递给C++进行回调，C++也可以将函数指针传递给C#，并在C#中调用。这种机制在回调、事件处理、异步任务等场景中非常实用。