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如何在C#中使用Win32 API和其他庫

編輯：關於C語言

C# 用戶經常提出兩個問題：“我為什麼要另外編寫代碼來使用內置於 Windows 中的功能？在框架中為什麼沒有相應的內容可以為我完成這一任務？”當框架小組構建他們的 .NET 部分時，他們評估了為使 .Net 程序員可以使用 Win32 而需要完成的工作，結果發現 Win32 API 集非常龐大。他們沒有足夠的資源為所有 Win32 API 編寫托管接口、加以測試並編寫文檔，因此只能優先處理最重要的部分。許多常用操作都有托管接口，但是還有許多完整的 Win32 部分沒有托管接口。

　　平台調用 (P/Invoke) 是完成這一任務的最常用方法。要使用 P/Invoke，您可以編寫一個描述如何調用函數的原型，然後運行時將使用此信息進行調用。另一種方法是使用 Managed Extensions to C++ 來包裝函數，這部分內容將在以後的專欄中介紹。

　　要理解如何完成這一任務，最好的辦法是通過示例。在某些示例中，我只給出了部分代碼；完整的代碼可以通過下載獲得。

　　簡單示例

　　在第一個示例中，我們將調用 Beep() API 來發出聲音。首先，我需要為 Beep() 編寫適當的定義。查看 MSDN 中的定義，我發現它具有以下原型：

　 BOOL Beep(
　DWord dwFreq,　　　// 聲音頻率
　DWord dwDuration　 // 聲音持續時間
);

　　要用 C# 來編寫這一原型，需要將 Win32 類型轉換成相應的 C# 類型。由於 DWord 是 4 字節的整數，因此我們可以使用 int 或 uint 作為 C# 對應類型。由於 int 是 CLS 兼容類型（可以用於所有 .Net 語言），以此比 uint 更常用，並且在多數情況下，它們之間的區別並不重要。bool 類型與 BOOL 對應。現在我們可以用 C# 編寫以下原型：

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

　　這是相當標准的定義，只不過我們使用了 extern 來指明該函數的實際代碼在別處。此原型將告訴運行時如何調用函數；現在我們需要告訴它在何處找到該函數。

　　我們需要回顧一下 MSDN 中的代碼。在參考信息中，我們發現 Beep() 是在 kernel32.lib 中定義的。這意味著運行時代碼包含在 kernel32.dll 中。我們在原型中添加 DllImport 屬性將這一信息告訴運行時：

　　[DllImport("kernel32.dll")]

　　這就是我們要做的全部工作。下面是一個完整的示例，它生成的隨機聲音在二十世紀六十年代的科幻電影中很常見。

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);
}
　　　}
　}
}

　　它的聲響足以刺激任何聽者！由於 DllImport 允許您調用 Win32 中的任何代碼，因此就有可能調用惡意代碼。所以您必須是完全受信任的用戶，運行時才能進行 P/Invoke 調用。

　　枚舉和常量

　　Beep() 可用於發出任意聲音，但有時我們希望發出特定類型的聲音，因此我們改用 MessageBeep()。MSDN 給出了以下原型：

BOOL MessageBeep(
　UINT uType // 聲音類型
);

　　這看起來很簡單，但是從注釋中可以發現兩個有趣的事實。

　　首先，uType 參數實際上接受一組預先定義的常量。

　　其次，可能的參數值包括 -1，這意味著盡管它被定義為 uint 類型，但 int 會更加適合。

　　對於 uType 參數，使用 enum 類型是合乎情理的。MSDN 列出了已命名的常量，但沒有就具體值給出任何提示。由於這一點，我們需要查看實際的 API。

　　如果您安裝了 Visual Studio? 和 C++，則 Platform SDK 位於 Program FilesMicrosoft Visual Studio .NetVc7PlatformSDKInclude 下。

　　為查找這些常量，我在該目錄中執行了一個 findstr。

　　findstr "MB_ICONHAND" *.h

　　它確定了常量位於 winuser.h 中，然後我使用這些常量來創建我的 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);

　　現在我可以用下面的語句來調用它： MessageBeep(BeepType.IconQuestion);

處理結構

　　有時我需要確定我筆記本的電池狀況。Win32 為此提供了電源管理函數。

　　搜索 MSDN 可以找到 GetSystemPowerStatus() 函數。

BOOL GetSystemPowerStatus(
　LPSYSTEM_POWER_STATUS lpSystemPowerStatus
);

　　此函數包含指向某個結構的指針，我們尚未對此進行過處理。要處理結構，我們需要用 C# 定義結構。我們從非托管的定義開始：

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

　　然後，通過用 C# 類型代替 C 類型來得到 C# 版本。

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

　　這樣，就可以方便地編寫出 C# 原型：

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

　　在此原型中，我們用“ref”指明將傳遞結構指針而不是結構值。這是處理通過指針傳遞的結構的一般方法。

　　此函數運行良好，但是最好將 ACLineStatus 和 batteryFlag 字段定義為 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,
　　}

　　請注意，由於結構的字段是一些字節，因此我們使用 byte 作為該 enum 的基本類型。

　　字符串

　　雖然只有一種 .Net 字符串類型，但這種字符串類型在非托管應用中卻有幾項獨特之處。可以使用具有內嵌字符數組的字符指針和結構，其中每個數組都需要正確的封送處理。

　　在 Win32 中還有兩種不同的字符串表示：

　　ANSI
　　Unicode

　　最初的 Windows 使用單字節字符，這樣可以節省存儲空間，但在處理很多語言時都需要復雜的多字節編碼。Windows NT? 出現後，它使用雙字節的 Unicode 編碼。為解決這一差別，Win32 API 采用了非常聰明的做法。它定義了 TCHAR 類型，該類型在 Win9x 平台上是單字節字符，在 WinNT 平台上是雙字節 Unicode 字符。對於每個接受字符串或結構（其中包含字符數據）的函數，Win32 API 均定義了該結構的兩種版本，用 A 後綴指明 Ansi 編碼，用 W 指明 wide 編碼（即 Unicode）。如果您將 C++ 程序編譯為單字節，會獲得 A 變體，如果編譯為 Unicode，則獲得 W 變體。Win9x 平台包含 Ansi 版本，而 WinNT 平台則包含 W 版本。

　　由於 P/Invoke 的設計者不想讓您為所在的平台操心，因此他們提供了內置的支持來自動使用 A 或 W 版本。如果您調用的函數不存在，互操作層將為您查找並使用 A 或 W 版本。

　　通過示例能夠很好地說明字符串支持的一些精妙之處。

簡單字符串

　　下面是一個接受字符串參數的函數的簡單示例：

BOOL GetDiskFreeSpace(
LPCTSTR lpRootPathName, 　　　　// 根路徑
LPDWord lpSectorsPerCluster,　　// 每個簇的扇區數
LPDWord lpBytesPerSector,　　　 // 每個扇區的字節數
LPDWord lpNumberOfFreeClusters, // 可用的扇區數
LPDWord lpTotalNumberOfClusters // 扇區總數
);

　　根路徑定義為 LPCTSTR。這是獨立於平台的字符串指針。

　　由於不存在名為 GetDiskFreeSpace() 的函數，封送拆收器將自動查找“A”或“W”變體，並調用相應的函數。我們使用一個屬性來告訴封送拆收器，API 所要求的字符串類型。

　　以下是該函數的完整定義，就象我開始定義的那樣：

[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，當我試圖運行時，該函數不能執行。問題在於，無論我們在哪個平台上，封送拆收器在默認情況下都試圖查找 API 的 Ansi 版本，由於 LPTStr 意味著在 Windows NT 平台上會使用 Unicode 字符串，因此試圖用 Unicode 字符串來調用 Ansi 函數就會失敗。

有兩種方法可以解決這個問題：一種簡單的方法是刪除 MarshalAs 屬性。如果這樣做，將始終調用該函數的 A 版本，如果在您所涉及的所有平台上都有這種版本，這是個很好的方法。但是，這會降低代碼的執行速度，因為封送拆收器要將 .Net 字符串從 Unicode 轉換為多字節，然後調用函數的 A 版本（將字符串轉換回 Unicode），最後調用函數的 W 版本。

　　要避免出現這種情況，您需要告訴封送拆收器，要它在 Win9x 平台上時查找 A 版本，而在 NT 平台上時查找 W 版本。要實現這一目的，可以將 CharSet 設置為 DllImport 屬性的一部分：

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

　　在我的非正式計時測試中，我發現這一做法比前一種方法快了大約百分之五。

　　對於大多數 Win32 API，都可以對字符串類型設置 CharSet 屬性並使用 LPTStr。但是，還有一些不采用 A/W 機制的函數，對於這些函數必須采取不同的方法。

字符串緩沖區

　　.Net 中的字符串類型是不可改變的類型，這意味著它的值將永遠保持不變。對於要將字符串值復制到字符串緩沖區的函數，字符串將無效。這樣做至少會破壞由封送拆收器在轉換字符串時創建的臨時緩沖區；嚴重時會破壞托管堆，而這通常會導致錯誤的發生。無論哪種情況都不可能獲得正確的返回值。

　　要解決此問題，我們需要使用其他類型。StringBuilder 類型就是被設計為用作緩沖區的，我們將使用它來代替字符串。下面是一個示例：

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

　　使用此函數很簡單：

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

　　請注意，StringBuilder 的 Capacity 傳遞的是緩沖區大小。

　　具有內嵌字符數組的結構

　　某些函數接受具有內嵌字符數組的結構。例如，GetTimeZoneInformation() 函數接受指向以下結構的指針：

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# 中使用它需要有兩種結構。一種是 SYSTEMTIME，它的設置很簡單：

　 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;
　 }

　　這裡沒有什麼特別之處；另一種是 TimeZoneInformation，它的定義要復雜一些：

[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;
}

　　此定義有兩個重要的細節。第一個是 MarshalAs 屬性：

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

　　查看 ByValTStr 的文檔，我們發現該屬性用於內嵌的字符數組；另一個是 SizeConst，它用於設置數組的大小。

　　我在第一次編寫這段代碼時，遇到了執行引擎錯誤。通常這意味著部分互操作覆蓋了某些內存，表明結構的大小存在錯誤。我使用 Marshal.SizeOf() 來獲取所使用的封送拆收器的大小，結果是 108 字節。我進一步進行了調查，很快回憶起用於互操作的默認字符類型是 Ansi 或單字節。而函數定義中的字符類型為 WCHAR，是雙字節，因此導致了這一問題。

　　我通過添加 StructLayout 屬性進行了更正。結構在默認情況下按順序布局，這意味著所有字段都將以它們列出的順序排列。CharSet 的值被設置為 Unicode，以便始終使用正確的字符類型。

　　經過這樣處理後，該函數一切正常。您可能想知道我為什麼不在此函數中使用 CharSet.Auto。這是因為，它也沒有 A 和 W 變體，而始終使用 Unicode 字符串，因此我采用了上述方法編碼。

具有回調的函數

　　當 Win32 函數需要返回多項數據時，通常都是通過回調機制來實現的。開發人員將函數指針傳遞給函數，然後針對每一項調用開發人員的函數。

　　在 C# 中沒有函數指針，而是使用“委托”，在調用 Win32 函數時使用委托來代替函數指針。

　　EnumDesktops() 函數就是這類函數的一個示例：

BOOL EnumDesktops(
　HWINSTA hwinsta,　　　　　　 // 窗口實例的句柄
　DESKTOPENUMPROC lpEnumFunc,　// 回調函數
　LPARAM lParam　　　　　　　　// 用於回調函數的值
);

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

BOOL CALLBACK EnumDesktopProc(
　LPTSTR lpszDesktop,　// 桌面名稱
　LPARAM lParam　　　　// 用戶定義的值
);

　　我們可以將它轉換為以下委托：

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

　　完成該定義後，我們可以為 EnumDesktops() 編寫以下定義：

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

　　這樣該函數就可以正常運行了。

　　在互操作中使用委托時有個很重要的技巧：封送拆收器創建了指向委托的函數指針，該函數指針被傳遞給非托管函數。但是，封送拆收器無法確定非托管函數要使用函數指針做些什麼，因此它假定函數指針只需在調用該函數時有效即可。

　　結果是如果您調用諸如 SetConsoleCtrlHandler() 這樣的函數，其中的函數指針將被保存以便將來使用，您就需要確保在您的代碼中引用委托。如果不這樣做，函數可能表面上能執行，但在將來的內存回收處理中會刪除委托，並且會出現錯誤。

　　其他高級函數

　　迄今為止我列出的示例都比較簡單，但是還有很多更復雜的 Win32 函數。下面是一個示例：

DWord SetEntrIEsInAcl(
　ULONG cCountOfExplicitEntrIEs,　　　　　　// 項數
　PEXPLICIT_Access pListOfExplicitEntrIEs, // 緩沖區
　PACL OldAcl,　　　　　　　　　　　　　　 // 原始 ACL
　PACL *NewAcl　　　　　　　　　　　　　　　// 新 ACL
);

　　前兩個參數的處理比較簡單：ulong 很簡單，並且可以使用 UnmanagedType.LPArray 來封送緩沖區。

　　但第三和第四個參數有一些問題。問題在於定義 ACL 的方式。ACL 結構僅定義了 ACL 標頭，而緩沖區的其余部分由 ACE 組成。ACE 可以具有多種不同類型，並且這些不同類型的 ACE 的長度也不同。

　　如果您願意為所有緩沖區分配空間，並且願意使用不太安全的代碼，則可以用 C# 進行處理。但工作量很大，並且程序非常難調試。而使用 C++ 處理此 API 就容易得多。

　　屬性的其他選項

　　DLLImport 和 StructLayout 屬性具有一些非常有用的選項，有助於 P/Invoke 的使用。下面列出了所有這些選項：

　　DLLImport

　　CallingConvention

　　您可以用它來告訴封送拆收器，函數使用了哪些調用約定。您可以將它設置為您的函數的調用約定。通常，如果此設置錯誤，代碼將不能執行。但是，如果您的函數是 Cdecl 函數，並且使用 StdCall（默認）來調用該函數，那麼函數能夠執行，但函數參數不會從堆棧中刪除，這會導致堆棧被填滿。

　　CharSet

　　控制調用 A 變體還是調用 W 變體。

　　EntryPoint

　　此屬性用於設置封送拆收器在 DLL 中查找的名稱。設置此屬性後，您可以將 C# 函數重新命名為任何名稱。