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托管代碼與非托管代碼

眾所周知，我們正常編程所用的高級語言，是無法被計算機識別的。需要先將高級語言翻譯為機器語言，才能被機器理解和運行。
在標准C/C++中，編譯過程是這樣的：

源代碼首先經過預處理器，對頭文件以及宏進行解析，然后經過編譯器，生成匯編代碼，接着，經過匯編，生成機器指令，最后將所有文件連接起來。
這種編譯方式的優點在於，最終直接生成了機器碼，可以直接被計算機識別和運行，無需任何中間運行環境，但缺點也在於，由於不同平台能夠識別的機器碼不同，因此程序的跨平台能力較差。
而在Java語言中，源代碼並沒有被直接翻譯成機器碼，而是編譯成了一種中間代碼（字節碼Bytecode）。因此，運行Java程序需要一個額外的JRE（Java Runtime Enviromental）運行環境，在JRE中存在着JVM（Java Virtual Mechinal，Java虛擬機），在程序運行的時候，會將中間代碼進一步解釋為機器碼，並在機器上運行。
使用中間代碼的好處在於，程序的跨平台性比較好，一次編譯，可以在不同的設備上運行。
托管/非托管是微軟的.net framework中特有的概念，其中，非托管代碼也叫本地（native）代碼。與Java中的機制類似，也是先將源代碼編譯成中間代碼（MSIL，Microsoft Intermediate Language），然后再由.net中的CLR將中間代碼編譯成機器代碼。
而C#與Java的區別在於，Java是先編譯后解釋，C#是兩次編譯。
托管的方式除了擁有跨平台的優點之外，對程序的性能也產生一定的影響。但程序性能不在本文討論的范圍，這里不在贅述。
此外，在.net中，C++也可以進行托管擴展，從而使C++代碼也依賴於.net和CLR運行，獲得托管代碼的優勢。

托管資源與非托管資源

在上一節中，我們講到，托管代碼與非托管代碼相比，有下列不同：

1. 編譯運行過程不同
2. 跨平台能力不同
3. 程序性能不同

本節中，我們會涉及到托管和非托管的另一個區別：

1. 釋放資源的方式不同

在C/C++中，資源都是需要手動釋放的，比如，你new了一個指針，用過之后就需要delete掉，否則就會造成內存泄露。
而在Java中，不必考慮資源釋放的問題，Java的垃圾回收機制（GC，Garbage Collection）會保證失效的資源被自動釋放。
而C#的機制與Java類似，運行於.net平台上的代碼，分配的資源一般會自動由平台的垃圾回收器釋放，這樣的資源就是托管資源。
但是一些例外的資源，如System.IO.StreamReader等各種流、各種連接所分配的資源，需要顯式調用Close()或Dispose()釋放，這種資源就叫做非托管資源。

托管與非托管的混合編程

在C#的三大難點之前傳：什么時候應該使用C#？中我提到過，C#的一大優勢在於Windows平台下的界面編程。但由於C#並不是很普及，經常出現底層或后台代碼采用C/C++編寫的情況，此時，若選擇C#作為界面語言，則必然遇到一個C#調用C++代碼的問題。
比較普遍的解決方案就是，先將C/C++的代碼生成為DLL動態運行庫，再在C#中調用。
舉個例子
在C中：

#include 
#include 

void DisplayHelloFromDLL()
{
    printf ("Hello from DLL !\n");
}

void CallHelloFromDLL(char* cp)
{
    printf (cp);
    printf ("\n");
    *cp='a';
    cp++;
    printf (cp);
    printf ("\n");
}

在C#中：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;

namespace TestConsole
{
    using System;
    using System.Runtime.InteropServices;     // DLL support

    class Program
    {
        [DllImport(@"TestLib.dll")]
        public static extern void DisplayHelloFromDLL();

        [DllImport(@"TestLib.dll", CallingConvention = CallingConvention.Cdecl)]
        public static extern void CallHelloFromDLL(StringBuilder s);

        static void Main()
        {
            Console.WriteLine("This is C# program");
            DisplayHelloFromDLL();
            StringBuilder sb = new StringBuilder(100);
            CallHelloFromDLL(sb);
            Console.WriteLine(sb);
    }
}

在混合編程中，涉及了幾個要點。

1. 如何在DLL中將函數接口暴露出來？
   有兩種方式，一種是采用__declspec(dllexport)的聲明，另一種是編寫額外的def文件，如

   ;導出DLL函數
   LIBRARY testLib
   EXPORTS 
   DisplayHelloFromDLL
   CallHelloFromDLL
   

2. DLL與C#之間如何進行數據傳送？
   這個問題其實很復雜，像int，double這種基本的數據類型，是很好傳遞的。到了byte和char，就有點復雜了，更復雜的還有string和stringBuilder，以及結構體的傳遞等。
   若傳遞的是指針，有兩種方法，一種是采用托管的方式，使用Intptr存儲指針，並使用ref獲得地址（&）；另一種是在C#中編寫非托管的代碼，用unsafe聲明：

   unsafe
   {
   //非托管代碼
   }
   

   在非托管代碼中，即可進行指針相關的操作。
   若傳遞的是函數指針，由於C#中沒有函數指針的概念，因此采用委托（delegate）的方式。 
   若傳遞的是自定義結構體，也可以采用ref的方式傳遞。
   這個如果有機會的話，我會單獨整理一下。

3. extern “C”、CallingConvention =CallingConvention.Cdecl)等必要聲明。
   這里面也牽涉到復雜的語言機制，本文不再贅述。

參考文獻：
[譯]C++, Java和C#的編譯過程解析
編譯原理

 

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