在上一次专栏中，我概要介绍了有关在 c# 使用现有代码的不同方法。这一次我们将深入探讨如何在 c# 中使用 win32® 和其他现有库。
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 files/microsoft visual studio .net/vc7/platformsdk/include 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:/test.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：
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。
字符串类型设置不正确。
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