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问题

在C#中，如何实现跟native dll 中途的线程间通信?

回答
在 C 中与 Native DLL 进行线程间通信，尤其是在 Native DLL 内部创建了新的线程，这确实是一个比较考验功力的问题。我们通常不是直接“命令” Native DLL 中的某个线程与 C 中的某个线程通信，而是通过一套约定好的机制，让双方都能感知到对方的存在和传递的数据。

这里我们不谈论那些浅尝辄止的“列表式”介绍，而是深入剖析一下几种常见的、相对健壮的处理思路，并且尽量用一种更“人话”的方式来解释。

核心挑战：隔离与桥接

首先要明白，C 托管代码和 Native DLL 非托管代码运行在不同的内存空间，由不同的运行时管理（.NETCLR 和 Native OS/Runtime）。它们的线程模型、内存管理方式都有显著差异。

内存安全 vs. 不安全： C 线程在托管堆上分配内存，有垃圾回收。Native 线程在 C++ 堆或栈上分配内存，需要手动管理。直接传递指针很危险，很容易造成访问冲突。
线程模型： C 线程最终映射到操作系统线程，但 .NET 可能对其有自己的调度和管理。Native DLL 线程则完全由操作系统管理。
数据结构： C 的对象（如 `List`、`Dictionary`）在 Native 端无法直接理解，反之亦然。

所以，我们的目标是建立一个安全、可靠的桥梁，让双方能够以对方能理解的方式交换信息。

关键技术与策略

以下是几种主要的技术和策略，以及它们背后的思路：

1. 回调机制 (Callback) – C 提供函数给 Native DLL 调用

这是最常见也是最灵活的一种方式。核心思想是：C 负责提供一个“接口”（函数），Native DLL 可以在它的线程中调用这个 C 函数，传递它需要的数据。

实现思路：

在 C 端：
定义一个 `delegate`，它描述了回调函数的签名（返回类型和参数类型）。这个 `delegate` 必须是 `static` 的，或者你传入的是一个 `static` 方法的实例。这是因为 Native DLL 需要一个稳定的函数地址，而实例方法依赖于对象实例，而对象实例的生命周期和地址在托管代码中是不确定的（GC）。
定义一个 `static` 方法，该方法的签名与 `delegate` 匹配。这个方法就是 Native DLL 将要调用的 C 函数。
在你的 C 代码中，当你加载 Native DLL 并准备好时，将这个 `static` 方法的引用（通过 `delegate` 实例）传递给 Native DLL。这通常是通过 Native DLL 暴露的一个初始化或注册函数来完成的。
处理多线程： 当 Native DLL 的线程回调 C 函数时，这个 C 函数会立即在 Native DLL 的线程上下文中执行。如果这个 C 函数需要操作 UI 元素（比如 WPF、WinForms），或者需要访问 C 线程独有的资源，你绝对不能直接操作。你必须通过 `Invoke` 或 `BeginInvoke` (对于 WinForms) 或 `Dispatcher.Invoke`/`Dispatcher.BeginInvoke` (对于 WPF) 等方法，将操作“调度”回主 UI 线程或者你期望的特定 C 线程上执行。
数据传递： Native DLL 传递给 C 的数据，通常需要是 C 能直接理解的 blittable（可直接映射到非托管类型）类型，比如 `int`, `float`, `double`, `bool`, `char`, `byte` (配合 `Marshal` 类使用), 或者结构体 (`struct`)。如果 Native DLL 想传递更复杂的数据结构，它需要先将其转换为 C 能理解的格式，或者 C 传递一个缓冲区给 Native DLL，让 Native DLL 将数据填入。

在 Native DLL 端：
定义一个函数指针类型（`typedef`），其签名与 C 的 `delegate` 匹配。
在 DLL 的某个地方（比如加载时或初始化函数中），接收 C 传递过来的函数指针。
当 DLL 的某个线程需要与 C 通信时，就直接调用这个接收到的函数指针，并将需要的数据作为参数传递进去。

举个例子（简化版）：

假设 Native DLL 有一个函数 `StartWorkerThread`，它会启动一个新线程，并允许注册一个回调函数。

C 端：

```csharp
using System;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Threading;

public class NativeCommunicator
{
// 1. 定义 delegate，描述回调函数的签名
// 回调函数接收一个 int 参数，返回 void
[UnmanagedFunctionPointer(CallingConvention.Cdecl)] // 指定调用约定
public delegate void NativeCallbackDelegate(int value);

// 2. 定义一个 static 方法，作为回调函数
private static void MyCallbackMethod(int dataFromNative)
{
Console.WriteLine($"C received from Native: {dataFromNative} on thread {Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}");
// 如果需要更新 UI，请使用 Dispatcher.Invoke/BeginInvoke
}

// 3. 声明 Native DLL 中的函数
[DllImport("MyNativeLib.dll")]
private static extern void RegisterCallback(NativeCallbackDelegate callback);

[DllImport("MyNativeLib.dll")]
private static extern void StartWorkerThreadInNative();

public static void InitializeAndStart()
{
// 4. 将 C 方法的引用传递给 Native DLL
// 注意：这里传入的是 delegate 实例，它持有对 static 方法的引用
RegisterCallback(MyCallbackMethod);

// 5. 启动 Native DLL 的工作线程
StartWorkerThreadInNative();
}

// ... 其他 C 代码 ...
}
```

Native DLL (C++ 伪代码):

```cpp
// 假设这是 MyNativeLib.dll 的 C++ 实现

typedef void (NativeCallbackPtr)(int); // 1. 定义函数指针类型

NativeCallbackPtr g_csharpCallback = nullptr; // 2. 存储 C 回调函数的指针

// 3. C 调用此函数来注册回调
extern "C" __declspec(dllexport) void RegisterCallback(NativeCallbackPtr callback) {
g_csharpCallback = callback;
// 可以在这里打印一些日志，确认已注册
}

// 4. Native DLL 内部的线程函数
void WorkerThreadFunction() {
while (true) {
// ... 模拟一些工作 ...
int dataToSendToCSharp = rand() % 100;

// 5. 如果回调函数已注册，则调用它
if (g_csharpCallback != nullptr) {
g_csharpCallback(dataToSendToCSharp); // 调用 C 回调
}

// ... 延时等 ...
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
}
}

// 6. Native DLL 暴露的启动线程函数
extern "C" __declspec(dllexport) void StartWorkerThreadInNative() {
std::thread worker(WorkerThreadFunction);
// 注意：在实际应用中，需要管理好这个线程的生命周期，
// 比如通过一个句柄让 C 可以控制停止，或者在 DLL 卸载时 Join 线程。
worker.detach(); // 简单示例，直接分离线程
}
```

要点补充：

`UnmanagedFunctionPointer`： 这个特性非常重要，它告诉 .NET 如何将 C 的 `delegate` 转换为 C 风格的函数指针，从而让 Native DLL 能够正确地调用它。`CallingConvention.Cdecl` 是 C/C++ 中最常见的调用约定。
`extern "C"`： 在 C++ 中，`extern "C"` 用于告诉编译器使用 C 语言的名称修饰规则，这样 C 的 `DllImport` 才能找到正确的函数。
线程安全： 即使回调是安全的，回调方法内部访问共享资源时也需要考虑线程安全。
卸载与生命周期： 当 C 应用程序退出时，Native DLL 也会被卸载。确保 Native DLL 启动的线程能够被正确地清理，避免资源泄露或程序崩溃。通常需要提供一个“注销”或“停止”的函数。

2. 消息队列或事件驱动 – 异步通信

回调机制是 Native DLL 主动“推”数据给 C。但如果 C 也想主动“推”数据给 Native DLL，或者两者都需要更解耦的通信，消息队列或事件驱动模型就非常有用。

实现思路：

C 端：
创建一个 C 的队列（如 `ConcurrentQueue`，它本身是线程安全的）或者一个事件发布器。
C 的业务线程将数据放入队列，或者触发某个事件。
C 应用程序启动一个专门的“分发”线程。这个线程负责：
从 C 队列中取出数据。
将数据安全地传递给 Native DLL。传递方式可以是：
调用 Native DLL 暴露的另一个函数，将数据拷贝到 Native 内存中。
如果 Native DLL 提供了共享内存区域，则将数据写入共享内存。
关键： C 必须提供一个接口，让 Native DLL 可以将数据“拉”走，或者 C 的分发线程负责将数据“推”给 Native。

Native DLL 端：
Native DLL 内部维护一个自己的队列或者一个等待机制。
Native DLL 暴露一个函数，供 C 的分发线程调用，将数据“推”入 Native 的队列。
Native DLL 的工作线程在需要时，从自己的队列中“拉”取数据进行处理。

为什么这种方式更健壮？

解耦： C 和 Native DLL 之间的直接依赖降低了。Native DLL 不必关心 C 的具体实现，只需要知道如何从某个地方（可能是共享内存、某个 API）获取数据。
缓冲： 队列可以充当缓冲区，即使一方处理速度慢于另一方，也不会立即导致问题。
控制： C 可以更精确地控制数据传递的速率和时机。

数据传递的细节：

内存拷贝： 最安全但效率较低的方式是，C 的分发线程将数据（经过 `Marshal.StructureToPtr` 或 `Marshal.Copy` 等）拷贝到 Native DLL 提供的预分配的内存缓冲区中，然后通知 Native DLL 数据已准备好。
共享内存： 如果性能要求极高，可以考虑使用 `MemoryMappedFile`。C 和 Native DLL 都可以访问同一块内存区域。这种方式需要更精细地管理同步（如使用 `Mutex`、`Semaphore`），以避免数据损坏。Native DLL 的线程往共享内存写数据，C 的分发线程从里面读数据，或者反过来。

3. 共享内存 / MemoryMappedFile – 高性能数据交换

当需要传递大量数据或者对实时性要求极高时，直接在内存中交换数据是最有效的方式。`MemoryMappedFile` 是 .NET Framework 提供的一种机制，允许不同进程（甚至在同一进程内的不同部分）共享同一块内存。

实现思路：

C 端：
创建一个 `MemoryMappedFile`。
为这个文件创建一个 `MemoryMappedViewAccessor` 或 `MemoryMappedViewStream` 来读写数据。
定义好共享内存的结构和协议。比如，可以在共享内存的开头放一个控制块，包含数据的长度、状态标志（如“数据已准备好”、“正在处理”、“数据已处理”）等。
C 的线程将数据写入共享内存，并更新控制块的状态。
C 应用程序需要一个轮询线程或者事件通知机制（如果 Native DLL 支持的话）来感知 Native DLL 是否已读取数据。
同步： 这是最关键的部分。 必须使用同步原语（如 `Mutex`、`Semaphore`）来协调 C 和 Native 访问共享内存。例如：
C 写入数据前，先获取一个 `Mutex`，写完后释放。
Native 线程读取数据前，先尝试获取同一个 `Mutex`。
或者，使用 `Semaphore` 来信号化：“数据已写入”。C 写入后 `Release` `Semaphore`，Native 尝试 `WaitOne` `Semaphore`。

Native DLL 端：
Native DLL 通过 `OpenFileMapping` (Windows API) 或类似机制，以读写模式打开同一个内存映射文件。
Native DLL 线程根据控制块的状态，从共享内存中读取数据。
Native DLL 处理完数据后，更新状态，通知 C 数据已处理。
同步： 同样需要配合使用 `Mutex`、`Semaphore` 等（通过 Native API 调用）来确保安全访问。

Native API 举例 (Windows):

`CreateFileMapping` / `OpenFileMapping`
`MapViewOfFile` / `UnmapViewOfFile`
`WaitForSingleObject` / `ReleaseMutex` / `CreateMutex` (Windows API 对应 C 的 `Mutex`)

需要注意：

数据结构序列化： C 需要将数据序列化成字节数组，然后写入共享内存。Native DLL 需要反序列化这些字节。`BinaryFormatter`（不推荐用于跨进程/持久化）、`DataContractSerializer`、Protocol Buffers 或自定义的序列化方式都可以。
平台差异： `MemoryMappedFile` 是跨平台的，但 Native API 的具体实现（如 Unix 的 `mmap`）会有差异。
复杂性： 共享内存的同步和管理非常复杂，容易出错。

4. 互斥体、事件、信号量等同步对象 – 状态同步与通知

这些同步原语本身不直接传递数据，但它们是线程间通信的基石。它们允许一个线程通知另一个线程某个事件的发生，或者保护共享资源的访问。

`Mutex` (互斥体): 确保同一时间只有一个线程能访问一个共享资源。C 端和 Native 端都可以创建和使用 `Mutex`。
`Event` (事件): 一个线程可以“触发”一个事件，另一个线程可以“等待”这个事件。C 的 `EventWaitHandle` 系列（`ManualResetEvent`, `AutoResetEvent`）和 Native 的 `CreateEvent` / `SetEvent` / `WaitForSingleObject` 配合使用。
`Semaphore` (信号量): 控制对资源的并发访问数量。C 的 `SemaphoreSlim` / `Semaphore` 和 Native 的 `CreateSemaphore` / `ReleaseSemaphore` / `WaitForSingleObject`。

如何配合使用：

通知： Native 线程完成某项工作后，`SetEvent` 一个 C 已经 `WaitHandle` 上的事件，通知 C。
请求： C 线程需要 Native 线程停止时，可以 `SetEvent` 一个 Native 线程正在等待的事件。
保护： 当 C 线程和 Native 线程都需要访问同一块内存区域（非共享内存，而是 C 托管内存，然后通过 `Marshal` 传递一个指针给 Native）进行读写时，使用 `Mutex` 来保护这段内存。

示例：C 通知 Native 线程工作完成

C 线程创建 `ManualResetEvent`。
C 将 `ManualResetEvent` 的句柄（`Handle` 属性）通过 `DllImport` 传递给 Native DLL。
Native DLL 将 C 的句柄转换为 Native 句柄（`DuplicateHandle` 或直接使用 `handle`）。
Native DLL 的工作线程完成工作后，调用 `SetEvent`（Native API）来触发 C 的事件。
C 的等待线程在 `WaitOne` 方法上被唤醒。

总结性建议：

1. 明确通信方向和数据流： 是 Native 推送给 C，还是 C 推送给 Native，还是双向？需要传递什么类型的数据？数据量多大？实时性要求如何？
2. 首选回调机制： 对于大多数场景，如果 Native DLL 需要将结果反馈给 C，回调机制是最直接、最易于实现的。但务必注意 UI 线程安全。
3. 解耦考虑消息队列： 如果通信是双向的，或者双方需要解耦，使用 C 的线程安全队列结合 Native 内部队列是更好的选择。
4. 高性能场景考虑共享内存： 如果需要极高的吞吐量和低延迟，并且能承受复杂性，`MemoryMappedFile` 是一个强大但复杂的选项。
5. 同步是关键： 无论哪种方式，正确使用同步原语（`Mutex`, `Semaphore`, `Event`）来协调访问共享资源和状态是避免问题的核心。
6. 封装与抽象： 将这些复杂的跨线程通信细节封装在 C 的类中，对外提供清晰、易用的接口。

实现跨线程通信，尤其是跨越托管与非托管边界时，是一个需要耐心和细致的工作。建议从简单的场景开始，逐步引入更复杂的机制，并充分利用调试工具来排查问题。

网友意见

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volatile 用在多线程环境里基本所有用法都是错误的，何况这个过程还经过了 C# -> C++ DLL 的处理。

简单说，另开一个 DLLExport 的 API stop()，设置一个 C++ 里的全局 flag（用 atomic 或者加锁），然后在这个 test 函数里 check 这个 flag 试试看。

更好的应该是把计算放在其它线程 / 进程，避免阻塞请求线程。

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