30、利用DLR实现应用脚本化与插件扩展

利用DLR实现应用脚本化与插件扩展

在软件开发中，应用脚本化和插件扩展是提升应用灵活性和可扩展性的重要手段。本文将介绍如何利用动态语言运行时（DLR）实现应用脚本化，并探讨其在插件扩展方面的应用，同时以一个模拟球世界的WPF应用为例进行详细说明。

应用脚本化

应用脚本化允许用户在不重新编译应用的情况下，通过编写脚本代码来改变应用的行为。以球世界应用为例，我们可以通过编写Python代码来控制球世界的初始状态。

编写脚本文件

球世界应用通过加载和执行 InitScript.py 文件来实现脚本化。该文件中的Python代码控制着球世界的初始状态。用户可以修改此文件中的代码，创建具有自定义初始状态的球世界，而无需重新编译应用。

以下是一个示例 InitScript.py 文件：

import clr
import world
clr.AddReference("PresentationCore")
from System.Windows.Media import (Colors)

world.AddBall(Colors.Blue, 50, 250, 200, -50, 50);
world.AddBall(Colors.Red, 30, 200, 400, 50, 50);
world.AddBall(Colors.Black, 30, 100, 400, 20, 40);
world.AddBall(Colors.Green, 40, 250, 300, -30, 50);
world.AddBall(Colors.Purple, 35, 320, 270, 40, -40);

上述代码的具体解释如下：
- import clr ：用于引入.NET程序集。
- import world ：将脚本运行时全局作用域中名为“world”的对象引入Python脚本的作用域。
- clr.AddReference("PresentationCore") ：创建对 PresentationCore.dll WPF程序集的引用，因为 System.Windows.Media.Colors 类包含在该程序集中。
- from System.Windows.Media import (Colors) ：将 Colors 类引入Python脚本的作用域。
- world.AddBall 方法：用于创建新的球，指定球的颜色、大小、初始x轴位置、初始y轴位置、初始x轴速度和初始y轴速度。

运行脚本

当我们在Visual Studio C# 2010 Express中打开项目并编译源代码时，球世界应用的可执行文件 BallWorld.exe 将生成在 Chapter10\BallWorld\bin\Debug 文件夹中， InitScript.py 文件将被复制到 Chapter10\BallWorld\bin\Debug\Script 文件夹。运行 BallWorld.exe 即可启动球世界应用。

如果需要在不重新编译源代码的情况下改变球世界的初始状态，只需修改 Chapter10\BallWorld\bin\Debug\Script 文件夹中的 InitScript.py 文件。重新编译源代码时，该文件夹中的 InitScript.py 文件将被刷新为 Chapter10\BallWorld\Script 文件夹中文件的内容。

脚本化的实现方式

除了加载和执行脚本文件，还可以在用户界面中添加文本框，让用户输入脚本代码，并通过点击按钮来执行。球世界应用可以轻松扩展以支持除IronPython之外的其他语言，通过在应用的对象模型中暴露更多方法和对象，用户可以编写更多的脚本代码。

无论采用何种方式实现脚本化，使用DLR托管API执行动态语言代码的基本机制都是相同的。

插件扩展

基本的脚本化机制不仅可以让用户改变应用的部分行为，还可以作为应用的插件扩展基础设施。用户可以通过插件扩展应用的功能。

例如，在开发图像处理应用时，我们希望支持不同的文件格式保存图像。除了支持已知的文件格式，还可以允许用户插件支持其他文件格式。为此，我们可以构建应用，使其加载包含保存图像对象模型到特定文件格式逻辑的用户脚本文件。

与使用静态语言（如C#）构建插件扩展基础设施相比，使用DLR托管API的方式具有明显优势。使用静态语言时，需要定义类或接口作为插件（或脚本）基础设施与用户扩展（或脚本）之间的契约，用户的代码需要引用包含契约类或接口的.NET程序集才能编译。而使用DLR托管API，不需要在应用创建者和扩展应用的用户之间共享.NET程序集作为编程契约。

在球世界应用中，契约是脚本代码可以访问名为 world 的变量，并调用其 AddBall 方法。这种契约在运行时进行检查和执行，而不是在编译时。延迟到运行时检查和执行契约的主要好处是，用户可以在应用运行时直接输入代码并执行，无需引用契约程序集、编译代码、部署编译后的代码或重启应用。

物理引擎

球世界应用使用Farseer Physics引擎来模拟球在物理世界中的运动。该引擎主要用于检测球与球之间、球与墙之间的碰撞。

为了让Farseer Physics引擎检测对象碰撞，需要向引擎描述模拟世界中的墙和球。在Farseer Physics 2.1.3版本中，对于每个对象（如球或墙），需要在引擎中创建两个对象：一个是代表对象的主体（body），另一个是定义对象形状的几何形状（geometries）。物理引擎使用对象的形状来检测对象之间的碰撞。

在球世界应用中，所有对Farseer Physics引擎的使用都集中在 BallWorldPhysicsEngine 类中。该类的三个重要方法如下：
- AddBall ：为球在物理引擎中添加主体和几何形状。
- AddBorder ：添加代表球世界边界的主体，其形状由四个几何形状定义，分别对应球世界的四面墙。
- OnCollision ：Farseer Physics库在两个对象碰撞时触发的事件处理程序。

以下是 BallWorldPhysicsEngine 类的代码：

public class BallWorldPhysicsEngine
{
    private PhysicsEngineLoop physicsEngineLoop;
    private PhysicsEngine physicsEngine;
    private PhysicsSimulator physicsSimulator;

    public BallWorldPhysicsEngine()
    {
        physicsEngineLoop = new PhysicsEngineLoop();
        physicsEngineLoop.IsRunningChanged += IsRunningChangedEventHandler;

        physicsEngine = new PhysicsEngine(new Vector2(0f, 0f));
        physicsSimulator = physicsEngine.PhysicsSimulator;
        physicsEngine.SetLoop(physicsEngineLoop);
    }

    public void Start()
    {
        physicsEngineLoop.Start();
    }

    public void AddBorder(BorderViewModel border)
    {
        //use the body factory to create the physics body
        Body borderBody = BodyFactory.Instance.CreateRectangleBody(
            physicsSimulator, border.Width, border.Height, 50);
        borderBody.IsStatic = true;
        borderBody.Position = border.Position;

        //left border geometry
        Vector2 geometryOffset = new Vector2(
            -(border.Width * .5f - border.BorderWidth * .5f), 0);
        CreateBorderGeom(borderBody, border.BorderWidth, border.Height, geometryOffset);

        //right border geometry
        geometryOffset = new Vector2(border.Width * .5f - border.BorderWidth * .5f, 0);
        CreateBorderGeom(borderBody, border.BorderWidth, border.Height, geometryOffset);

        //top border geometry
        geometryOffset = new Vector2(0, -(border.Height * .5f - border.BorderWidth * .5f));
        CreateBorderGeom(borderBody, border.Width, border.BorderWidth, geometryOffset);

        //bottom border geometry
        geometryOffset = new Vector2(0, border.Height * .5f - border.BorderWidth * .5f);
        CreateBorderGeom(borderBody, border.Width, border.BorderWidth, geometryOffset);
    }

    private void CreateBorderGeom(
        Body borderBody, float width, float height, Vector2 geometryOffset)
    {
        Geom geom = GeomFactory.Instance.CreateRectangleGeom(
            physicsSimulator, borderBody, width, height, geometryOffset, 0);
        geom.RestitutionCoefficient = 1f;
        geom.FrictionCoefficient = 0f;
        geom.CollisionGroup = 100;
    }

    public void AddBall(BallViewModel ball)
    {
        float bodyMass = ball.Radius;
        Body body = BodyFactory.Instance.CreateCircleBody(ball.Radius, bodyMass);
        body.Position = ball.Position.Vector;
        body.LinearVelocity = ball.Velocity.Vector;

        BodyModelHelper<BallViewModel> helper = new BodyModelHelper<BallViewModel>(
            ball, body,
            (UpdateEventHandler<BallViewModel>) delegate(
                BallViewModel ball1, Vector2 position, float rotation)
            {
                ball1.Position = new Vector2D(position.X, position.Y);
                ball1.Velocity = new Vector2D(body.LinearVelocity.X, body.LinearVelocity.Y);
            });

        body.Updated += delegate { helper.Update();  };

        Geom geom = GeomFactory.Instance.CreateCircleGeom(body, ball.Radius, 60, 25);
        geom.FrictionCoefficient = 0f;
        geom.RestitutionCoefficient = 1f;
        geom.OnCollision += OnCollision;

        physicsEngine.AddBody(body);
        physicsEngine.AddGeom(geom);
    }

    private bool OnCollision(Geom geom1, Geom geom2, ContactList contactList)
    {
        float geom1Speed = geom1.Body.LinearVelocity.Length();
        float geom2Speed = geom2.Body.LinearVelocity.Length();

        if (geom1Speed > 80)
        {
            float factor = 50 / geom1Speed;
            geom1.Body.LinearVelocity.X = geom1.Body.LinearVelocity.X * factor;
            geom1.Body.LinearVelocity.Y = geom1.Body.LinearVelocity.Y * factor;
        }

        if (geom2Speed > 80)
        {
            float factor = 50 / geom2Speed;
            geom2.Body.LinearVelocity.X = geom2.Body.LinearVelocity.Y * factor;
            geom2.Body.LinearVelocity.Y = geom2.Body.LinearVelocity.Y * factor;
        }

        return true;
    }

    //other code omitted.
}

用户界面

球世界应用是一个WPF应用，其用户界面使用XAML声明性定义。所有的XAML代码都放在 MainView.xaml 文件中，主要包含两个WPF数据模板：
- 一个用于定义 BallViewModel 类实例的外观，即球在应用用户界面中的样子。
- 另一个用于定义 BallWorldViewModel 类实例的外观。

两个数据模板使用WPF数据绑定将UI元素绑定到 BallViewModel 和 BallWorldViewModel 类的属性。

以下是 MainView.xaml 文件的代码：

<Window x:Class="BallGames.MainView"
    xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"
    xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"
    xmlns:local="clr-namespace:BallGames.ViewModel"  
    Title="Ball World" Width="800" Height="600">
    <Window.Resources>
        <local:ColorConverter x:Key="colorConverter" />

        <DataTemplate DataType="{x:Type local:BallViewModel}">
            <StackPanel>
                <Ellipse Fill="{Binding Color, Converter={StaticResource colorConverter}}"  
                         Width="{Binding Diameter}" Height="{Binding Diameter}" />
            </StackPanel>
        </DataTemplate>

        <DataTemplate DataType="{x:Type local:BallWorldViewModel}">
            <ItemsControl ItemsSource="{Binding Path=Balls}">
                <ItemsControl.ItemsPanel>
                    <ItemsPanelTemplate>
                        <Canvas />
                    </ItemsPanelTemplate>
                </ItemsControl.ItemsPanel>
                <ItemsControl.ItemContainerStyle>
                    <Style>
                        <Setter Property="Canvas.Left"  
                                Value="{Binding Path=NormalPosition.X}" />
                        <Setter Property="Canvas.Top"  
                                Value="{Binding Path=NormalPosition.Y}" />
                    </Style>
                </ItemsControl.ItemContainerStyle>
            </ItemsControl>
        </DataTemplate>

    </Window.Resources>

    <Canvas x:Name="ballWorldCanvas">
        <ContentControl x:Name="content" />
    </Canvas>
</Window>

在 MainView.xaml.cs 文件中，我们将 ContentControl 元素的 Content 属性设置为 BallWorldViewModel 的实例：

public partial class MainView : Window
{
    public MainView()
    {
        InitializeComponent();
        BallWorldViewModel viewModel = new BallWorldViewModel();
        content.Content = viewModel;
    }
}

总结

本文介绍了如何使用DLR和动态语言实现应用脚本化，并将其应用于插件扩展。通过球世界应用的示例，我们展示了如何利用DLR托管API实现脚本化，以及如何通过脚本化和插件扩展提升应用的灵活性和可扩展性。

DLR在Silverlight中的应用

除了在桌面应用中使用DLR，我们还可以在Silverlight平台上运行基于DLR的应用。Silverlight是微软开发的客户端Web平台，用于运行富互联网应用（RIAs）。Silverlight运行时作为插件在Web浏览器中运行，Silverlight应用在该运行时上运行。

不同的客户端Web脚本化方法

在Silverlight应用中使用动态语言有几种方法：
- 将动态语言作为类库使用 ：通过DLR托管API访问动态语言。
- 使用 Chiron.exe 和Silverlight应用项目模板 ：这是微软最初提供的一种Web脚本化体验，允许用户像使用JavaScript一样使用Python和Ruby进行脚本编写。但随着“just text”方法的出现，这种方法逐渐过时，因此本文将重点介绍“just text”方法。

“just text”方法

“just text”方法允许开发人员通过直接运行文本代码来构建Silverlight应用，无需编译和打包代码。通常，开发Silverlight应用时，需要手动或使用工具将代码编译并打包成特定的文件类型（如XAP或slvx文件）。每次进行更改后，如果需要手动测试这些更改，都需要重复编译和打包步骤。而使用“just text”方法，开发人员可以更方便地进行开发和测试。

综上所述，DLR在应用脚本化、插件扩展以及Silverlight应用开发中都具有重要的应用价值，可以帮助开发人员提升应用的灵活性和可扩展性。

利用DLR实现应用脚本化与插件扩展

应用脚本化和插件扩展的优势总结

通过上述对球世界应用的分析，我们可以总结出应用脚本化和插件扩展在软件开发中的显著优势，具体如下表所示：
|优势|描述|
| ---- | ---- |
|灵活性|用户可以在不重新编译应用的情况下，通过修改脚本代码改变应用的初始状态或添加新功能，如球世界应用中修改 InitScript.py 文件即可改变球的初始状态。|
|可扩展性|作为插件扩展基础设施，允许用户和第三方通过插件扩展应用功能，如图像处理应用中支持用户添加新的文件格式保存功能。|
|降低开发成本|使用DLR托管API构建插件扩展，无需定义复杂的类或接口作为契约，减少了开发和维护的工作量。|
|提高开发效率|延迟到运行时检查和执行契约，用户可以在应用运行时直接输入代码并执行，无需编译和部署，加快了开发和测试的周期。|

动态语言在Silverlight中的应用案例分析

为了更深入地理解DLR在Silverlight中的应用，下面我们通过一个简单的案例来展示“just text”方法的具体实现。

假设我们要开发一个简单的Silverlight应用，该应用允许用户输入一个数字，然后将该数字乘以2并显示结果。

步骤一：创建Silverlight项目

首先，在Visual Studio中创建一个新的Silverlight项目。

步骤二：设计用户界面

在XAML文件中设计用户界面，包含一个文本框用于输入数字，一个按钮用于触发计算，以及一个文本块用于显示结果。以下是示例代码：

<UserControl x:Class="SilverlightApp.MainPage"
    xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"
    xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"
    Width="400" Height="300">
    <StackPanel Orientation="Vertical" HorizontalAlignment="Center" VerticalAlignment="Center">
        <TextBox x:Name="inputTextBox" Width="200" Height="30" Margin="10"/>
        <Button Content="计算" Width="100" Height="30" Margin="10" Click="CalculateButton_Click"/>
        <TextBlock x:Name="resultTextBlock" Width="200" Height="30" Margin="10"/>
    </StackPanel>
</UserControl>

步骤三：实现“just text”脚本化

在代码背后的文件中，我们使用DLR托管API来执行动态语言代码。以下是示例代码：

using System;
using System.Windows;
using System.Windows.Controls;
using Microsoft.Scripting.Hosting;

namespace SilverlightApp
{
    public partial class MainPage : UserControl
    {
        public MainPage()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private void CalculateButton_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
        {
            try
            {
                // 获取用户输入的数字
                string input = inputTextBox.Text;
                if (!string.IsNullOrEmpty(input))
                {
                    // 创建脚本引擎
                    ScriptEngine engine = IronPython.Hosting.Python.CreateEngine();
                    // 执行脚本代码
                    ScriptScope scope = engine.CreateScope();
                    scope.SetVariable("num", int.Parse(input));
                    string script = "result = num * 2";
                    engine.Execute(script, scope);
                    int result = scope.GetVariable<int>("result");
                    // 显示结果
                    resultTextBlock.Text = "结果: " + result.ToString();
                }
            }
            catch (Exception ex)
            {
                MessageBox.Show("输入无效，请输入一个有效的数字。");
            }
        }
    }
}

在上述代码中，我们使用IronPython作为动态语言，通过DLR托管API创建脚本引擎，执行脚本代码，并获取计算结果。

步骤四：运行和测试

运行Silverlight应用，在文本框中输入一个数字，点击“计算”按钮，即可看到计算结果显示在文本块中。

应用脚本化和插件扩展的未来发展趋势

随着软件开发的不断发展，应用脚本化和插件扩展将在更多领域得到广泛应用，以下是一些可能的发展趋势：
1. 跨平台支持 ：随着移动设备和云计算的普及，应用需要支持更多的平台。DLR的灵活性使其能够在不同的平台上实现应用脚本化和插件扩展，未来可能会有更多的跨平台应用采用这种技术。
2. 人工智能和机器学习集成 ：人工智能和机器学习技术在各个领域的应用越来越广泛。应用脚本化和插件扩展可以方便地集成这些技术，例如在图像处理应用中添加机器学习算法来实现图像识别功能。
3. 低代码和无代码开发 ：低代码和无代码开发平台的兴起，使得非专业开发人员也能够参与应用开发。应用脚本化和插件扩展可以为这些平台提供更多的功能扩展选项，降低开发门槛。

总结与展望

本文详细介绍了利用DLR实现应用脚本化和插件扩展的方法，并探讨了DLR在Silverlight中的应用。通过球世界应用和Silverlight应用的案例，我们展示了如何利用DLR提升应用的灵活性和可扩展性。

未来，随着技术的不断进步，应用脚本化和插件扩展将在软件开发中发挥更加重要的作用。开发人员可以充分利用DLR的优势，为用户提供更加个性化和丰富的应用体验。同时，我们也需要关注相关技术的发展趋势，不断探索新的应用场景和方法，以适应不断变化的市场需求。

以下是一个简单的mermaid流程图，展示了应用脚本化和插件扩展的整体流程：

graph LR
    A[开始] --> B[应用脚本化]
    B --> C[编写脚本代码]
    C --> D[通过DLR托管API执行代码]
    D --> E[改变应用状态或添加功能]
    B --> F[插件扩展]
    F --> G[用户或第三方提供插件]
    G --> H[应用加载插件并扩展功能]
    E --> I[应用运行]
    H --> I
    I --> J[结束]

通过这个流程图，我们可以更清晰地看到应用脚本化和插件扩展的整个过程，以及它们如何相互协作提升应用的灵活性和可扩展性。