C++/CLI(一)-C++/CLI简介

随着C++的深入学习Unity与各大C++机器学习类库算法的编写和调用需求,用C++/CLI与Unity的C#之间建立关联性也越来越显得重要(怎么感觉C++是个大坑。。。。。)

程序集与元数据

传统的C++编译模式包括把单独的源文件编译为目标文件(obj),再把目标文件与库函数链接在一起,以生成可执行程序。而CLI模式却大不相同,它涉及到程序集的创建与使用(类似C#的编译过程)。简单来说,在不计输入源文件数目的基础上,程序集即为单次编译的输出。如果输出带有一个进入点函数(例如main函数),它即为一个.exe文件;如果没有,它则为一个.dll文件。任何引用外部程序集而生成的编译,必须要访问所依赖的程序集,此时也没有类似传统链接时用到的头文件机制,而是通过编译器在所依赖的程序集内部查找,来访问所需的外部信息。 程序集包含了元数据,其描述了包含在那里的类型与函数,还有CIL(Common Intermediate Language)指令——Microsoft称其为“MSIL”。元数据与指令能通过平台独立的VES(Virtual Execution System)来执行。 ##CLI类型 例1是一个模拟二维点的类。此处不得不提到命名空间,所有的CLI标准库类型都属于System命名空间,或嵌套在其内部的某个命名空间之下,例如System::Object和System::String,还有System::IO、 System::Text、System::Runtime::CompilerOptions等等。标记1可避免在程序中一直使用namespace限定词。 例1:

/*1*/
using namespace System;

/*2*/
public ref class Point
{
    int x;
    int y;
public:
 
//定义用于读写X与Y实例属性

/*3a*/ property int X
    {
/*3b*/      int get() { return x; }
/*3c*/      void set(int val) { x = val; }
    }
 
/*4a*/ property int Y
    {
/*4b*/      int get() { return y; }
/*4c*/      void set(int val) { y = val; }
   }
//定义实例构造函数
 
/*5a*/  Point()
    {
/*5b*/      X = 0;
/*5c*/      Y = 0;
    }
 
/*6a*/ Point(int xor, int yor)
    {
/*6b*/      X = xor;
/*6c*/      Y = yor;
    }
//定义实例方法
 
/*7a*/ void Move(int xor, int yor)
    {
/*7b*/      X = xor;
/*7c*/      Y = yor;
    }  
 
/*8a*/ virtual bool Equals(Object^ obj) override
    {
/*8b*/      if (obj == nullptr)
        {
            return false;
        }
/*8c*/      if (this == obj)  
        {
            return true;
        }
/*8d*/      if (GetType() == obj->GetType())
        {
/*8e*/          Point^ p = static_cast<Point^>(obj);
/*8f*/          return (X == p->X) && (Y == p->Y);
        }
        return false;
    }
 
/*9*/   virtual int GetHashCode() override
    {
        return X ^ (Y << 1);
    }
 
/*10a*/ virtual String^ ToString() override
    {
/*10b*/     return String::Concat("(", X, ",", Y, ")");
    }
}

在标记2中,我们定义了一个称为Point的引用类(ref class),一个引用类是一个CLI引用类型,当两者一起使用时,ref与class(中间有空格)表示了一个新的关键词。 public前缀表明了类型在它的父类程序集之外可见——即可访问(只有两种类型的可见性,public和private,类型默认为private),另外,只有类型才能有可见性属性,非成员函数、全局变量及文件范围内的typedef都不能在它们的父类程序集之外访问。 与C++程序员预想的一样,除了默认的成员可访问性,一个引用结构(ref struct)与引用类基本上一模一样,在这,我们把两者都称为引用类。 每个引用类都有一个基类,如果没有显式指定,那么默认的基类即为System::Object,一个引用类有且只能有一个基类。

我们先不管Point在内部是怎么表示的,考虑到它有X与Y属性,我们在此使用了笛卡尔坐标,实现起来非常简单;如果它使用极坐标,那么就复杂多了。 作为成员的标量属性,也对实例提供了类似字段的访问性,在标记3(a)中,用int类型定义了一个X属性,property符号是一个上下文关键字,而不是一个全局保留的关键字,它的用法只限于在这个上下文中。 ]对于get与set存取程序,在一个属性中即可有任意一个,也可两者兼有。在标记3(b)中,get返回既定属性的值;而在标记3(c)中,set使用编程者提供的值来设置即定的属性值。这两个存取程序分别以名字get与set定义为单独的函数,必须接受或返回相应的声明类型值,在本例中,为int(注意,这两个名字不是关键字)。存取程序也能具有不同的可访问性,但可能会妨碍到语言间的互操作性(interop),因为其他CLI语言可能不支持。 ]在标记5(b)与5(c)代表的默认构造函数中,是使用set的简单例子——X与Y均被设置为零,注意,不能使用X=Y=0来代替,因为set为一个void返回类型,所以子表达式Y=0不能出现在另一个表达式中。

对一个引用类来说,相等性是通过函数Equals来实现的,而不是重载==操作符,如标记8(a)所示。因为Point重载了System::Object::Equals,所以Point::Equals必须被声明为virtual,再次提醒的是,override符号也是一个上下文关键字,而不是一个保留关键字。而这个函数重载了Object中的一个函数,所以需要接受一个Object作为参数,而不是一个Point。 实际上,参数带有类型Object^,其表示“Object的句柄”,并指向托管堆(垃圾回收)中的一个对象。句柄在此是一个C++/CLI术语,CLI实际上把它称为“引用”,但C++已经有引用了,这是两回事。 有经验的C++类设计人员可能会留意到,在这个类的定义中,缺乏了两个重要的东西:函数未const限定;且参数不是作为一个const句柄传递的。为什么会这样呢?因为引用类的成员函数不会用const来限定,CLI也没有概念上的const函数;把参数声明为一个const句柄将会使它成为另一种类型,这样它就不再能被System::Object::Equals重载了(const类型的句柄是允许的,但它们只能被用在一个C++/CLI上下文之内,而不能与任何CLI标准库函数一起使用的,因为目前CLI中还未有const这个概念,未来版本的C++/CLI有可能会全面支持const,但其他语言仍不会支持const)。

在标记8(b)中,我们把obj与nullptr作一比较。nullptr关键字表示常量空值,当使用在一个句柄上下文中时,它表示空句柄——没有指向任何对象的句柄;当使用在一个指针上下文中时,它表示空指针——没有包含任何地址的指针。 为防止自身比较,在标记8(c)中,把obj与this作一对比。在一个非引用类(指本地类)中,this是一个实例函数调用时指向对象的指针,可带有const限定符;在一个引用类中,则是实例函数调用时指向对象的句柄——此处要再次提醒大家,不允许带有const限定符。也可以通过类似以指针访问成员时的指向操作符 ->,来访问类中成员,只不过此处使用的是句柄。 Equals是为了确保其比较的两个对象有着相同的类型,所以在标记8(d)中调用了System::Object::GetType,其返回一个代表当前实例运行时类型的System::Type句柄,如果两个System::Type对象引用指向同一对象,则它们代表了同一类型。此处,我们比较的是两个句柄,而不是两个类型对象。 一旦你获知两个对象为同一类型,就可以安全地把Object句柄向上转换为一个Point句柄,进而执行数据比较,而不用担心发生错误的类型匹配这样的异常,在此,使用了static_cast。

为使哈希表(散列表)数据结构工作正常,在对象中必须有一个名为GetHashCode的函数。基本上,如果一个类型定义了Equals,它也应该同时定义GetHashCode,其是重载System::Object的版本,如标记9。

与相等性比较类似,值的格式化是通过一个重载System::Object的函数实现的,如标记10(a),而不是重载<<操作符。这个函数称为ToString,它的功能是创建并返回一个当前实例的字符串,它调用了System::String::Concat连接三个字符串及两个int,实现了所需功能。 毫无疑问,不可能对任一参数及类型的搭配,Concat都能有一个适当的重载版本,那么,Concat是怎样处理这些参数的呢?本例中使用的重载版本如下:

static String^ Concat(... array<Object^>^ list);

圆括号中的参数声明(其必须有一托管的数组类型),表明可接受任意数量给定元素类型的参数,即,它是一个类型安全的varargs——参数数组,参数列表为一指向对象句柄托管数组的句柄。

这两个int——X与Y转换为Object^过程,在基本数据类型对Object^的表达式中,都存在着一个隐式转换,这个过程称为“装箱”,也就是包含基本数据类型值的对象,在托管堆上的分配。逆过程称为“拆箱”,这需要显式转换。

最后提一下命名约定。CLI指定了类、函数、属性必须以PascalCase模式来编写,也就是说,每个单词的首字母必须大写,而CLI标准库也遵循这条原则。

一个简单的示例程序

例2是一个使用了Point类的简单程序,下面以此为例简单讲解各方面的含义:

例2:

using namespace System;
 
int main()
{
/*1*/   Point^ p1 = gcnew Point;
/*2*/   Console::WriteLine("p1 = {0}, p1's HashCode = {1}", p1, p1->GetHashCode());
/*3*/   p1->Move(5, 7);
/*4*/   Console::WriteLine("p1 = {0}, p1's HashCode = {1}", p1, p1->GetHashCode());
/*5*/   Console::WriteLine("p1 Equals Point(9, 1) = {0}",                    p1->Equals(gcnew Point(9, 1)));
}

分配托管内存:在标记1中,定义了一个指向Point类型的句柄,并用gcnew操作符返回的位置初始化它,gcnew操作符是一个关键字,它为一个新的Point对象在托管堆中,分配了相应的空间,与大家想的一样,此处还会调用默认的构造函数。在目前的C++/CLI版本中,引用类的对象只能驻留于堆栈或托管堆中,与其他CLI语言不同,C++/CLI可以让你编写能被传递,并通过复制构造函数或 = 操作符赋值的引用类,还可以重载Clone函数,实现虚拟(深度)赋值。

格式化输出:CLI提供了一系列的I/O类型——使用功能性注解的函数。最简单的例子就是System::Console Write和WriteLine(见标记2)的重载版本,其向标准输出设备输出文本,WriteLine会跟上一个新行,而Write则不会。 这类函数有许多重载的版本,然而,最常见的形式是接受一个包含文本的格式化字符串,并带有可选的格式指定符——由花括号进行分隔,其后紧接需要格式化其值的参数。格式指定符 {0} 对应于紧接着格式化字符串传递进来的第一个参数;而 {1} 则对应于第二个参数,以此类推。与Concat类似,也有一些接受几个固定参数的重载版本,或可接受几个固定参数并同时接受一个可变数目的参数,在本例中,使用了如下的版本:

static void WriteLine(String^ format, Object^ arg0, Object^ arg1);

字符串在此被隐式转换为String^。因为p1是一个Point^,且Point是从Object继承而来,所以p1是is关系。GetHashCode返回一个int,因此在被传递之前,会被装箱为Object^。一旦执行到WriteLine,它会调用第二个和第三个参数的ToString函数,并输出结果字符串。以下是程序的输出:

p1 = (0,0), p1's HashCode = 0
p1 = (5,7), p1's HashCode = 11
p1 Equals Point(9, 1) = False

垃圾回收:由句柄p1引用的内存驻留于托管堆中,而托管堆则处于垃圾回收器“监视”之下,当一个句柄超出作用域时,其引用的内存就少了一个与此相联的句柄,继而当句柄计数为零时,内存就被自动回收了。如果一个句柄在某段时间内并没有超出作用域,但你已不需要其引用的内存了,就可以设置句柄为nullptr来减少其的引用计数,在此,没有办法来显式释放一块托管内存。另外,也可以对句柄调用delete,它会马上运行析构函数(Dispose函数),但这块内存仍不会被回收,直到垃圾回收器决定回收它。

编译程序

如果要把Point与main程序放在两个不同的程序集中,必须创建两个项目——为Point类创建Point项目,为应用程序创建Main项目。 要创建Point项目,可在Visual Studio.NET 2005中选择“文件|新建|项目|空项目”(不要选择“类库”)。在“解决方案资源管理器”中找到“源文件”,鼠标右键单击选择“添加|新建项”,在对话框左边的类别栏中选择“代码”,接着在右边选择“C++文件”,输入Point名称,并在打开的文件中粘贴例1中代码,保存文件。 在“解决方案资源管理器”中,右键单击项目名Point,首先,选择“属性|配置属性|常规”,把“配置类型”改为“动态库(.dll)”,选择“公共语言运行库支持”为“公共语言运行库支持(/clr)”;其次,在“C/C++|代码生成”中,把“运行时库”改为多线程 DLL (/MD);最后,在“链接器|常规”栏中,把“输出文件”后缀名从.exe改为.dll。 虽然在选择“类库”时,这些都是由Visual Studio.NET 2005自动完成的,但它会生成一大堆你不需要的支持文件。此时,选择“生成”,就会在Point/debug目录中找到Point.dll了。

创建Main项目与创建Point项目非常类似,除了这个项目叫做“Main”,且源文件为Main.cpp外。(在此有一个小技巧,你可以运行Visual Stuio.NET的两个实例,这样,你就可以同时编辑两个项目了。)默认情况下,选择“空项目”会生成一个.exe文件,这正是我们想要的。因为Main.cpp引用了Point类型,所以需要告诉编译器在哪可以找这个类型的父类程序集:首先,在“解决方案资源管理器”中,右键单击项目名Main,依次选择选择“属性|配置属性|常规”,选择“公共语言运行库支持”为“公共语言运行库支持(/clr)”,点击对话框的“应用”按钮;其次,在“通用属性|引用|添加新引用”对话框中,选择“浏览”选项页,定位至Point目录的Point.dll文件,点击“确定”退出;最后,在“C/C++|代码生成”中,把“运行时库”改为多线程 DLL (/MD)。此时,选择“生成”,就会在Main/debug目录中生成Main.exe了,执行此文件,就可以看到相应的输出。

本文参与腾讯云自媒体分享计划,欢迎正在阅读的你也加入,一起分享。

发表于

我来说两句

0 条评论
登录 后参与评论

扫码关注云+社区

领取腾讯云代金券