SWIG包装器使用指南——(四)C#使用SWIG简介与实践

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标签: SWIG包装器使用指南——(四)C#使用SWIG简介与实践 JavaScript博客 51CTO博客

2023-04-09 18:23:51 161浏览

SWIG包装器使用指南——(四)C#使用SWIG简介与实践,SWIG如何实现让C#方便的调用C++函数的?其实原理并不负责,仍然使用C#


一、简介

  • 二、全局函数、变量、常量
  • 三、继承
  • 四、传递指针、引用、数组与值
  • 五、基本类型的指针与引用
  • 六、基本类型的数组
  • 七、基本类型的默认map规则
  • 八、常用的typemap方法
  • 九、代码插入
  • 十、实践
  • 10.1 如何映射Foo*&到ref Foo
  • 10.2 映射Foo* array数组
  • 10.3 如何将char**映射为string[]
  • 10.4 如何映射C++的容器(vector\pair)
  • 10.5 如何映射函数指针
  • 十一、要点总结

一、简介

SWIG如何实现让C#方便的调用C++函数的?

其实原理并不负责,仍然使用C#的互操作技术P/Invoke实现,只不过SWIG对C++代码进行的包装,使开发者更易于调用。

生成C#代码时注意可选添加几个额外的命令行选项:

  • -dllimport :指定P/Invoke时要调用的dll名称
  • -namespace :设置C#的命名空间
  • -outfile :将所有生成的C#代码放到一个cs文件中

二、全局函数、变量、常量

int a = 0;
void funA();
#define PI 3.14

class Foo
{
public:
int * bar(int* items);
};

因C#里没有全局成员的概念,所以SWIG都把它们生产到了与%module同名的类里,且都是静态成员,可直接访问。

SWIG包装器使用指南——(四)C#使用SWIG简介与实践_c#

三、继承

class Foo
{
};

class Bar : public Foo
{

};

以上的c++代码SWIG可以完整的生成为C#代码,并且保留继承关系:

public class Foo
{
};

pulic class Bar : Foo
{

};

注意:因C#里没有多继承,所以如果C++里的代码是多继承的,则生成的C#代码只会继承第一个父类。

四、传递指针、引用、数组与值

class Foo
{
public:
	void spam1(Foo* x);  // 传指针
	void spam2(Foo& x);  // 传引用
	void spam3(Foo x);   // 传值
	void spam4(Foo x[]); // 传数组
};

由于SWIG认为一切皆是指针,所以上面的Foo* Foo& Foo Foo[]四种类型并没有什么区别,生成C#代理类后调用方式都一样:

var f = new Foo();
f.spam1(f);
f.spam2(f);
f.spam3(f);
f.spam4(f); //接收是数组,但是我们只传了一个值进去。不符合期望,后续要做处理。

同理,对于函数的返回值类型来说,以下也没有什么区别:

class Foo
{
public:
	Foo* spam1();
	Foo& spam2();
	Foo  spam3();
};

五、基本类型的指针与引用

如果未做特殊说明,这里的基本类型指的就是int、long、bool、char、float等这些类型,非自己定义的类。

class Foo
{
public:
	void add(int* a, int* b, int* result) {
	*result = *a + *b;
	}
};

默认情况下指针和引用会被生成为以SWIGTYPE_开头的C#类型:

public void add(SWIGTYPE_p_int a, SWIGTYPE_p_int b, SWIGTYPE_p_int result) 
{
}

对于这些不太友好的类型,需要编写.i文件进行映射,将其映射为C#的int类型:

%include <typemaps.i>

%apply int *OUTPUT {int * result};
%apply int *INPUT {int *a,int *b};

生成如下易于调用到C#代码:

public void add(int a, int b, out int result) 
{
}

同理,引用类型的处理也是类似,可以将其映射为c#的ref

%include <typemaps.i>  //添加SWIG自带的库

%apply bool& INOUT {bool&};

注:在上述过程中,我们并没有自己定义typemap。因为以上的操作SWIG已经帮我们实现了只是默认没有这么做而已,其实现的代码就是写在了<typemaps.i>库,我们只需要将其%apply一下。

六、基本类型的数组

C++里的int*即可以表示单个对象,也可以表示一个数组。这里演示如何将其映射为C#的数组。

class Foo
{
public:
	void copy(int* source, int* target, int count){
	}
};

可以通过如下的定义将上述数组转为C#的数组:

%include <arrays_csharp.i>   // 添加SWIG自带的库
// apply一下
%apply int INPUT[] {int * source}
%apply int OUTPUT[] {int * target}

然后就生成了如下的C#代码:

public void copy(int[] source, int[] target, int count) {
demoModulePINVOKE.Foo_copy(swigCPtr, source, target, count);
}

调用起来非常之方便,我们观察下demoModulePINVOKE.Foo_copy方法的实现:

SWIG包装器使用指南——(四)C#使用SWIG简介与实践_c#_02


原来是通过Marshal将C#数组元素的首指针封送了过去。

七、基本类型的默认map规则

部分C++类型映射到C#类型的规则如下:

SWIG包装器使用指南——(四)C#使用SWIG简介与实践_c#_03


更多默认规则,下载完SWIG之后,使用Everything软件搜索csharp.swg文件即可。

八、常用的typemap方法

SWIG包装器使用指南——(四)C#使用SWIG简介与实践_互操作_04


是否还记得前几篇文章介绍typemap时的哪些in、out、freeargs方法? 上图里的方法也属于同等范畴,只不过是特定于C#语言映射时使用,后续你将会频繁使用。

九、代码插入

指令:%pragma(csharp) method={ … my code …}

常用method有:

  • imclassbase
  • imclasscode
  • imclassclassmodifiers
  • imclassimports
  • imclassinterfaces
  • modulebase
  • modulecode
  • moduleimports
  • … 等等
    分别可以在不同的代理类的不同位置插入自己定义的代码。

如:

%pragma(csharp) imclasscode={ … my code …}`

就是在moduleInvoke.cs文件里插入代码。

十、实践

10.1 如何映射Foo*&到ref Foo

class Spam 
{
  public:
   void changeFoo(Foo*& f);
};

对于上述的C++代码,我们期望的调用方式为:

var s = new Spam();
var f = new Foo();
s.changeFoo(ref f);

需要进行如下typemap定义,一步一步的映射过去:

// 告诉SWIG,C++的Foo*&就是C#的ref Foo
%typemap(cstype) Foo*& "ref Foo";

// 因为一切皆是指针,所以我们需要获取ref Foo的指针,供后续P/Invoke时传递。pre和post就是用来处理Foo与IntPtr的生成。
%typemap(csin,
pre="System.IntPtr temp_$csinput=Foo.getCPtr($csinput).Handle; System.IntPtr back_$csinput=temp_$csinput;",
post="if(temp_$csinput!=back_$csinput) $csinput=new Foo(temp_$csinput,false);") Foo*& "ref temp_$csinput";

// 因为一切皆是指针,所以我们就把指针传过去,并加上ref关键字,因为值会被修改。
%typemap(imtype) Foo*& "ref System.IntPtr";

// &是指针,*是指针,*&就是指针的指针,所以为void**
%typemap(ctype) Foo*& "void**";

其中cstypecsin具体指代如下图:

SWIG包装器使用指南——(四)C#使用SWIG简介与实践_c#_05


imtype指代如下:

SWIG包装器使用指南——(四)C#使用SWIG简介与实践_typemap_06


ctype指代如下:

SWIG包装器使用指南——(四)C#使用SWIG简介与实践_swig_07


此时就可以正常调用了。

10.2 映射Foo* array数组

简单类型的数组上面已经介绍过了,那么如何映射复杂类型的数组呢?Foo*可以直接映射为C#的Foo[]吗?

考虑有如下的C++代码:

class Spam 
{
public:
	void setFoo(Foo* array,int count)
	{
	}
};

在这里我们可以编写.i文件将Foo*映射为一个数组类,但无法直接映射为C#的数组。

%include "carrays.i" // 添加库

%array_class(Foo,FooArray);   // 定义一个数组类,其元素类型为Foo

然后我们就可以通过FooArray这个数组类,进行调用:

var s = new Spam();

FooArray fooArray = new FooArray(2);
for(int i = 0; i < 2; i++)
{
	fooArray.setitem(i, new Foo());
}
//.cast()返回的类型正好就是Foo,数组的第一个元素
s.setFoo(fooArray.cast(), 2);

但是你仔细查看setitem的代码会发现:

public void setitem(int index, Foo value) {
    demoModulePINVOKE.FooArray_setitem(swigCPtr, index, Foo.getCPtr(value)); }

Foo.getCPtr(value)是获取到了value对象的指针传到C++层,setitem并未持有value对象自身的引用。这就会导致一个问题,当你的应用程序面临很大的内存使用压力时,value对象完全有可能被GC掉,导致C++调用出现异常。

如何解决过早被GC的问题?

思路也很简单:让setitem所在的对象继续持有value对象的引用即可,当该对象被GC时,才会顺便GCvalue,而此时对C++调用也一定已经结束了。

所以我们对FooArray类做如下的扩展,添加了一个自定义方法SetItemAndHold

%typemap(cscode) FooArray %{	
	private List<object> _ref = new List<object>();	
	public void SetItemAndHold(int index,Foo value)
	{
	    _ref.Add(value); //将其添加一个列表里,使其不被GC
	    setitem(index,value);
	}
%}

然后将原有对setitem的调用重新调用到SetItemAndHold上即可。

FooArray除了cast()之外另一个有用的方法就是frompointer(),它可以根据首元素读取一个数组:

//f是C++层返回的一个值,是数组的首个元素
FooArray array=FooArray.formpointer(f);
// 后续对array操作,遍历

10.3 如何将char**映射为string[]

使用如下的规则即可:

CSHARP_ARRAYS(char *, string)

%typemap(imtype, inattributes="[System.Runtime.InteropServices.In, System.Runtime.InteropServices.MarshalAs(System.Runtime.InteropServices.UnmanagedType.LPArray, SizeParamIndex=0, ArraySubType=System.Runtime.InteropServices.UnmanagedType.LPStr)]") char *INPUT[] "string[]";

%apply char *INPUT[]  { char ** };

10.4 如何映射C++的容器(vector\pair)

class Spam 
{
public:
	void setFoo(std::vector<Foo> foos)
	{
	}
};

与数组的映射基本一样:

%include <std_vector.i>
%template(FooVector) std::vector<Foo>;

使用时:

var s = new Spam();
FooVector vec = new FooVector();
vec.Add(new Foo());
s.setFoo(vec);

同数组类一样,setFoo也有内存过早被GC的问题,解决方式也是一样,不在赘述。

10.5 如何映射函数指针

记住一点:函数指针与普通对象指针没有什么不同。

typedef void(*act)();
class Spam 
{
public:
	void setAction(act a)
	{
	}
};

对于act的包装,我们可以编写以下规则:

%typemap(csin) void(*)() "System.Runtime.InteropServices.Marshal.GetFunctionPointerForDelegate($csinput)";

%typemap(imtype,out="IntPtr") void(*)() "System.IntPtr";

// 将void(*)()映射为C#名为OperationFunction的委托
%typemap(cstype) void(*)() "OperationFunction";

//定义一个名为OperationFunction的委托
%pragma(csharp) moduleimports=%{
public delegate void OperationFunction();
%}

然后就可以使用原生的C#方式调用:

var s = new Spam();
OperationFunction action = new OperationFunction(() => { });
s.setAction(action);

十一、要点总结

  • 理解一切皆是指针
  • 避免在interface.i里写业务逻辑
  • 注意SWIG指令顺序(大多%xxx在前,%include在后)
  • 关注内存回收的节点,避免被过早GC


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