Visual C++ .NET编程：托管C++概述

 

                                      

2000 年 6 月， Microsoft 推出了 "Microsoft.NET 下一代互联网软件和服务战略 " ，引起 IT 行业的广泛关注。 2000 年 9 月， Microsoft 在旧金山发布了 Enterprise 2000 。同月， Microsoft 原总裁兼首席执行官鲍尔默来到中国就 " 下一代互联网 " 的主题进行演讲，在中国掀起了一股 ".NET 旋风 " 。 2000 年 11 月， Microsoft 在 Comdex 计算机大展上发布了 Visual Studio.NET 软件，并展示了其 .NET 发展战略的框架体系和开发工具的相关特性，全面加速了 Microsoft 以 .NET 技术进军市场的步伐。

　　 Microsoft 的 .NET 战略意味着： Microsoft 以及在 Microsoft 平台上的开发者将会制造服务，而不是制造软件。在未来几年之内， Microsoft 将陆续发布有关 .NET 的平台和工具，用于在因特网上开发 Web 服务。那时，工作在 .NET 上的用户、开发人员和 IT 工作人员都不再购买软件、安装软件和维护软件。取而代之的是，他们将定制服务，软件会自动安装，所有的维护和升级也会通过互联网进行。 "Microsoft.NET 代表了一个集合、一个环境、一个可以作为平台支持下一代 Internet 的可编程结构。 " 这就是鲍尔默对 .NET 的描述。

　　作为 .NET 的最新特性组成部分， Microsoft .NET Framework 是一个用于构建，部署和运行 Web 服务及应用程序的平台。它为将现有投资与下一代应用程序和服务的集成提供了高产的，基于标准的，多语言环境，同时它还用于解决 Internet 级应用程序的部署和操作问题。 .NET 框架包含三个主要部分：通用语言运行时，一组层次化的统一的类库，及组件化版本的动态服务器主页 ( 称为 ASP.NET) 。

　　用于开发 .NET Framework 的语言有 Visual C# 、 VB.NET 和 C++ 托管扩展 (Managed Extensions for C++) 。其中 C# 是开发 .NET 的元语言，而 C++ 托管扩展是在 C++ 基础上建立起来的，用来为 Visual C++ 程序员开发 .NET 框架应用程序而设计。为叙述方便，我们将 C++ 托管扩展就称之为 " 托管 C++" 。
为了帮助 C/C++ 以及 Visual C++ 程序员或爱好者快速使用托管 C++ 开发 .NET Framework 程序，我们将陆续推出相关的一系列文章。

　　本篇 " 托管 C++ 概述 " 主要讲述了什么是托管 C++ 、开发 .NET Framework( 框架 ) 的项目类型以及与标准 C++ 之间的区别。

　　 1 、什么是托管 C++ ？

　　在回答这个问题，首先要搞清楚什么是 " 托管 "(Managed) 。托管是 .NET 的一个专门概念，它是融于通用语言运行时 (CLR) 中的一种新的编程理念，因此我们完全可以把 " 托管 " 视为 ".NET" 。那么什么是 " 通用语言运行时 " ？通用语言运行时是 .NET 框架应用程序的执行引挚。它提供了许多服务，其中包括：代码管理 ( 装入和执行 ) 、类型安全性验证、元数据 ( 高级类型信息 ) 访问、为管理对象管理内存、管理代码， COM 对象和预生成的 DLLs( 非管理代码和数据 ) 的交互操作性、对开发人员服务的支持等等。

　　也就是说，使用托管 C++ 意味着，我们的代码可以被 CLR 所管理，并能开发出具有最新特性如垃圾自动收集、程序间相互访问等的 .NET 框架应用程序。

　　由托管概念所引发的 C++ 应用程序包括托管代码、托管数据和托管类三个组成部分。　　

　　 (1) 托管代码 ： . Net 环境提供了许多核心的运行 (RUNTIME) 服务，比如异常处理和安全策略。为了能使用这些服务，必须要给运行环境提供一些信息代码 ( 元数据 ) ，这种代码就是托管代码。所有的 C# 、 VB.NET 、 JScript.NET 默认时都是托管的，但 Visual C++ 默认时不是托管的，必须在编译器中使用命令行选项 (/CLR) 才能产生托管代码。

　　 (2) 托管数据 ：与托管代码密切相关的是托管数据。托管数据是由公共语言运行的垃圾回收器进行分配和释放的数据。默认情况下， C# 、 Visual Basic 和 JScript.NET 数据是托管数据。不过，通过使用特殊的关键字， C# 数据可以被标记为非托管数据。 Visual C++ 数据在默认情况下是非托管数据，即使在使用 /CLR 开关时也不是托管的。

　　 (3) 托管类 ：尽管 Visual C++ 数据在默认情况下是非托管数据，但是在使用 C++ 的托管扩展时，可以使用 "__gc" 关键字将类标记为托管类。就像该名称所显示的那样，它表示类实例的内存由垃圾回收器管理。另外，一个托管类也完全可以成为 .NET 框架的成员，由此可以带来的好处是，它可以与其他语言编写的类正确地进行相互操作，如托管的 C++ 类可以从 Visual Basic 类继承等。但同时也有一些限制，如托管类只能从一个基类继承等。需要说明的是，在托管 C++ 应用程序中既可使用托管类也可以使用非托管类。这里的非托管类不是指标准 C++ 类，而是使用托管 C++ 语言中的 __nogc 关键字的类。

2 、用托管 C++ 可以开发 .NET 框架的项目类型

　　使用托管 C++ 应该是 C++ 程序员编写 .NET 框架应用程序最好的一种选择，通过集成在 Visual Studio.NET 开发环境的托管 C++ 向导，我们可以创建以下几种开发 .NET 框架的项目类型：

　　 (1) 托管 C++ 应用程序 : 用来创建一个支持托管扩展的单独 C++ 应用程序，使用它还可创建任何类型的应用程序，包括 .NET 框架客户应用程序。

　　 (2) 托管 C++ 类库 : 用来创建一个支持托管扩展的 C++DLL ，使用它可以生成一个能被 .NET 框架应用程序调用的托管类型的组件。

　　 (3) 托管 C++ 空项目：用来创建一个空的托管项目，该项目只含有支持托管扩展的正确编译和链接的开关选项。使用它能将一个已有的 C++ 源文件进入到一个托管环境中。

　　 (4) 托管 C++ Web 服务：用于创建两个项目，一个是 C++ 托管扩展项目，另一个是部署项目。

　　 3 、托管 C++ 与标准 C++ 的主要区别

　　尽管托管 C++ 是从标准 C++ 建立而来的，但它与标准 C++ 有着本质上的区别，这主要体现在以下几个方面：

　　 (1) 广泛采用 " 名称空间 "(namespace)

　　名称空间是类型的一种逻辑命名方案， .NET 使用该命名方案用于将类型按相关功能的逻辑类别进行分组，利用名称空间可以使开发人员更容易在代码中浏览和引用类型。当然，我们也可将名称空间理解成是一个 " 类库名 " 。

　　尽管很早 Microsoft 就在 Visual C++ 中支持名称空间的编程方式，但是很少引起 Visual C++ 程序员的普遍关注。现在在托管 C++ 程序中，我们必须使用这一方式，即使用 #using 和 using 关键字。例如下面的简单程序代码是在控制台上输出 "Hello World" ：

#using using namespace System; int main(void) {     Console::WriteLine(S"Hello World");     return 0; }

　　代码中， #using 是用来将一个元数据文件输入到托管 C++ 程序中，这些文件可以是包含托管数据和结构的 MSIL (Microsoft intermediate language ，微软中间语言 ) 文件，如 DLL 、 EXE 、 OBJ 文件等。 mscorlib.dll 是 .NET 框架的一个核心类库，包含主要的名称空间 System 。程序的第二行代码 "using namespace System;" 用来使用 System 名称空间。 System 是 .NET 框架根名称空间，包含最基本的类型，如用于数据流的输入 / 输出的 System:: IO 等。

　　在对托管 C++ 程序开发的不断深入，我们不久就会发现，许多类型的引用都要在程序的前面使用 #using 和 using 来进行。

　　 (2) 基本数据类型的变化

　　我们知道，标准 C++ 语言的数据类型是非常丰富的。而托管 C++ 的数据类型更加丰富，不仅包含了标准 C++ 中的数据类型，而且新增了 __int64 (64 位整型 ) 、 Decimal(96 位十进制数 ) 、 String*( 字符串类型 ) 和 Object*( 对象类型 ) 等类型，表 1-1 列出它们各自数据类型。

类型描述	标准C++类型名	托管C++类型名	长度(位)
布尔型	bool	bool	8
字符型	char	signed char	8
无符号字符型	unsigned char	char	8
短整型	short [int]	short	16
无符号短整型	unsigned short [int]	unsigned short	16
整型	int	int 或 long	32
无符号整型	unsigned [int]	unsigned int 或 long	32
长整型	long [int]	long	32
无符号长整型	unsigned long [int]	unsigned long	32
单精度浮点型	float	float	32
双精度浮点型	double	double	64
长双精度浮点型	long double	--	64
Unicode 字符	--	wchar_t	16
64 位整型	--	__int64	64
无符号64位整型	--	unsigned __int64	64
96 位十进制值	--	Decimal	96
对象类型	--	Object*	32
字符串类型	--	String*	--

　　需要注意的是， String 和 Object 在定义一个变量时，注意要有星号 ("*") ，但这个变量不是指针变量，这与标准 C++ 的含义是不一样的。例如上面的代码可以改为：

#using using namespace System; int main(void) { String* hello = S"Hello World"; Console::WriteLine(hello); return 0; }

(3) 新增三个托管 C++ 类型： __gc class 、 __value class 和 __gc interface

　　一个 __gc 类或结构意味着该类或结构的生命周期是由 .NET 开发平台自动管理及垃圾自动收集，用户不必自已去调用 delete 来删除。定义一个 __gc 类或结构和标准 C++ 基本相似，所不同的是在 class 或 struct 前加上 __gc ，例如下面的代码：

__gc class G { public: int k; int sum(int); }; G::sum(int i) { return i*(i + 1)/2; } int main() { G * g = new G; Console::WriteLine(g->sum(4)); // 结果输出 10 return 0; }

　　 但要注意：

　　 A. 一个 __gc 类不能从一个非托管类中继承，且不能包含从它派生的非托管类。但一个 __gc 类最多可以从一个托管类中继承。

　　 B. 一个 __gc 类不能定义成一个友元类或包含一个友元成员函数。所谓友元函数，是用来让外部函数访问类中的私有和保护类型成员。

　　 C. 一个 __gc 类不能声明或定义以及重载 new 或 delete 操作以及不能包含 using 等声明。

　　 __value 类是用来使用具有短生命期的小型数据项，它不同于 __gc 类。 __gc 类数据分配在 CLR 堆中，而 __value 类对象是在运行栈或称为 NDP(.NET Developer Platform ， .NET 开发者平台 ) 堆中创建的，从而避免了垃圾回收器不断分配和释放空间而带来的开销。一个 __value 类可以声明成为一个局部变量、参数和返回值，也可嵌入到一个 __gc 类中或是作为一个静态变量或在 C++ 堆中分配的变量。例如下面的代码：

#using using namespace System; __value struct V { int i; }; __gc struct G { V v; }; // 嵌入到__gc类中 V f(V v) { // 定义一个全局函数，其值存储在运行栈中 v.i += 1; // 不影响原来形参v的值 return v; // 返回V结构类型的值 } int main(void) { V v1 = {10}; // 在运行栈中声明并初始化 V v2 = f(v1); // 调用f函数，此时v1中的i为10，而v2中的i为11 G *pG = new G; // 为G实例分配堆空间 pG->v = v1; // pG的v中的i为10 pG->v.i += v2.i; // pG的v中的i为10+11=21 Console::WriteLine(v1.i); // 输出结果为10 Console::WriteLine(v2.i); // 输出结果为11 Console::WriteLine(pG->v.i); // 输出结果为21 return 0; }

　　除此之外，所有的 __gc 对象都是从类 System::Object 派生而来，因而能够很容易使用作用在 __gc 类中的集合和映射功能。然而 __value 类型并没有与这个基类所共享，因而不能直接将 __value 作为函数中的 Object* 实参。为了解决这个问题， .NET 允许我们使用 __box 关键字将一个 __value 类型视为一个 __gc 对象。此时 __value 类型被封装成一个 __gc 类桩子 (Stub) ，并被复制到 NDP 堆中。由于在托管 C++ 中， box 不具备隐式转换的功能，因此在转换时必须指明转换的类型。

　　托管 C++ 中的 __gc 接口最能体现 COM 接口的思想，它的定义和声明是非常简单的，它除了关键字不同外，与一个 __gc 类的声明极为相似。例如下面的代码定义了一个接口 IMyBase ，其中包含了一个 f 的方法：

__gc __interface Ibase { void f(); };

　　需要说明的是，接口中所有的方法默认时都是纯虚的且都是公有的，我们不需要在方法之前使用 virtual 关键字或在方法之后加上 "= 0" 。其次，在一个 __gc 接口中不能包含数据成员以及静态成员，也不能包含任何类的声明。下面举一个示例来说明 __gc 接口的使用：

#using using namespace System; __gc __interface Ibase1 { int f(int); }; __gc __interface Ibase2 { int f(int); }; __gc struct C: Ibase1, Ibase2 { int f(int i) { // 接口方法的实现 return 2*i-1; }; }; int main(void){ C* c = new C; Console::WriteLine((c -> f(1)).ToString()); // 输出结果为1 Console::WriteLine((__try_cast (c)->f(2)).ToString()); // 输出结果为3 Console::WriteLine((__try_cast (c)->f(3)).ToString()); // 输出结果为5 return 0; }

　　代码中， __try_cast 用来将某个对象转换成一个指定类型，并当类型转换失败时自动处理由此产生的异常。 ToString 用来将对象描述成一个字符串。

(4) 简化属性操作

　　在 __gc 类中可以使用 .NET 的属性，这个属性简化了属性函数的调用操作，这与标准 C++ 中的属性不一样。在标准 C++ 中分别通过 get_ 和 put_ 成员函数来设置或获取相关属性的值。现在，托管 C++ 中的属性操作就好比是对一个属性变量进行操作，例如下列代码：

#using using namespace System; __gc class G { public: __property int get_Size() { Console::WriteLine(S"get_ 属性"); return nSize; }; __property void set_Size(int i) { Console::WriteLine(S"set_属性"); nSize = i; }; private: int nSize; }; int main() { G * pG = new G; pG->Size = 10; // 调用set_Size int i = pG->Size; // 调用get_Size Console::WriteLine(i); }

　　程序结果为：

　　　 set_ 属性

　　　 get_ 属性

　　　 10

　　需要说明的是，托管 C++ 使用 __property 关键字来定义一个属性的成员函数。从代码中可以看出设置和获取属性的成员函数名称中分别使用了 set_ 和 get_ ，这样编译器会自动生成一个伪成员变量 Size ，这个变量名是 set_ 和 get_ 成员函数后面的名称。注意不要再在 get_ 成员函数代码中使用这个伪成员变量 Size ，它会引起该函数的递归调用。

　　 (5) 托管 C++ 的委派

　　在 C/C++ 中，一个函数的地址就是内存地址。这个地址不会带有任何其它附加信息，如函数的参数个数、参数类型、函数的返回值类型以及这个函数的调用规范等。总之， C/C++ 的回调函数不具备类型安全性。而 .NET 框架在回调函数的基础增加了提供类型安全的机制，称为委派。

　　托管 C++ 的委派方法不像 C# 那么复杂，它简化了委派绝大部分的内部机制，因而使得它的使用变成非常简单容易。例如下面的代码：

#using using namespace System; __delegate int GetDayOfWeek(); // 委派方法的声明 __gc class MyCalendar { public: MyCalendar() : m_nDayOfWeek(4) {} int MyGetDayOfWeek() { Console::WriteLine("非静态方法"); return m_nDayOfWeek; } static int MyStaticGetDayOfWeek() { Console::WriteLine("静态方法"); return 6; } private: int m_nDayOfWeek; }; int main(void) { GetDayOfWeek * pGetDayOfWeek; // 声明委派类型变量 int nDayOfWeek; // 将类的静态方法MyStaticGetDayOfWeek绑定成委派 pGetDayOfWeek = new GetDayOfWeek(0, &MyCalendar::MyStaticGetDayOfWeek); nDayOfWeek = pGetDayOfWeek->Invoke(); // 委派的调用 Console::WriteLine(nDayOfWeek); // 将一个类的实例绑定成委派 MyCalendar * pcal = new MyCalendar(); pGetDayOfWeek = static_cast(Delegate::Combine(pGetDayOfWeek, new GetDayOfWeek(pcal, &MyCalendar::MyGetDayOfWeek))); nDayOfWeek = pGetDayOfWeek->Invoke(); Console::WriteLine(nDayOfWeek); // 删除绑定委派的类实例 pGetDayOfWeek = static_cast(Delegate::Remove(pGetDayOfWeek, new GetDayOfWeek(pcal, &MyCalendar::MyGetDayOfWeek))); return 0; }

　　输出结果是：

　　　静态方法
　　
　　　 6

　　　静态方法

　　　非静态方法

　　　 4

　　 4 、结速语

　　总之，使用托管 C++ 是 C++ 程序员编写 .NET 框架应用程序最好的一种选择，在充分理解 .NET 框架基础上，避免了使用其他语言如 C# 、 VB.NET 所带来的额外开销。