C#和C/C++混合编程系列1-概述

概述

引入 C# 主要是为了降低开发难度，特别是在战斗服部分，相比 Lua 脚本具有高性能、双端开发等优势。引擎主体仍由 C/C++ 实现，这与 Unity 的架构非常相似——C# 主要负责游戏逻辑开发（以战斗部分为主）。

C# 与 C/C++ 混合运行机制的基础概述参见：Http服务器-第十步加入基于Mono平台的C#脚本支持。StickEngine 简介详见：http://dreamyouxi.com:7129/blog/1203。

设计的核心思路是：C/C++ 负责引擎部分和大部分 GamePlay 框架（包括网络同步等），C# 负责部分逻辑编写，从而降低实现难度并提供双端开发的可能性。API 设计理念向 Unity 靠拢，以便开发人员快速上手。在这套体系中，C# 扮演的角色更接近脚本语言。

在组织结构上，共有两个 C# 编写的 DLL 和一个 runtime：一个是引擎层的 StickEngine.dll，另一个是游戏逻辑层的 Scripting.dll。引擎层 DLL 与 C/C++ 版本紧密耦合，GamePlay 开发人员只需编写 Scripting.dll 即可。客户端同理，对 GamePlay 开发人员而言，StickEngine.dll 提供的 API 完全一致——区别仅在于 runtime：服务端运行在 C/C++ 编写的二进制之上，客户端则运行在 Unity 环境中。当然，也可以在 Unreal Engine 之上支持 StickEngine.dll。

下文将通过内存管理模型、C# 与 C/C++ 交互、序列化、物理引擎、并发模型、异步编程、性能差异分析、异常处理等方面，阐述 StickEngine 中的混合编程范式。

内存管理模型

C/C++ 有多种内存管理机制，例如引用计数和标准库提供的智能指针；C# 则是带 GC 的语言。因此，混合编程中的内存管理问题主要集中在 C/C++ 与 C# 之间的引用关系上。以下列出两种方案，二者可相辅相成，也可分别应用于不同场景。

方案 A：利用 Mono 提供的 GC Handle 机制。由 C/C++ 负责持有和释放引用，主动通知 C# GC 收集器可以执行的动作。

方案 B：在 C# 层以 Map 的形式维护 C# 代码与其域内引用的映射。C/C++ 析构时，从 Map 中移除对应项，从而删除 C# 对象。

C# 与 C/C++ 交互

在 Lua 中，与 C/C++ 的交互通过 Lua C-API 提供的"栈"进行；在 Mono 下，一般通过 P/Invoke 实现。

C/C++ 侧：

C# 侧：

物理引擎

引入物理引擎基本上有两种方式：一是在 C/C++ 层实现后提供 high-level API 给 C# 使用；二是将 Box2D、PhysX 等物理引擎通过 P/Invoke 直接暴露给 C#。在 StickEngine 体系下，采用的是方式一，即 C/C++ 提供 API 供 C# 调用。以下给出一个示例说明使用方法。

C/C++ 侧：

C# 侧：

序列化

这里实现了类似 Unity Prefab 的概念，用于序列化操作和对象存储（C/C++ 层的序列化不在本文讨论范围内）。具体方式是利用反射和深拷贝完成反序列化与对象快速生成：根据反射信息逐字段解析 C# class，并将结果缓存到内存中。以 Prefab 为原型生成对象时，直接进行深拷贝，流程得以简化。当然，客户端内存有限，可能不会进行全量缓存。

C# 使用形式：

并发模型

在客户端，逻辑线程目前只有一个，因此不涉及并发模型；这里所说的并发模型是指服务端场景。与 Lua 类似，每个线程甚至每个房间单独开启一个虚拟机，以实现环境隔离和沙箱机制。Mono 下有类似概念，称为 domain。这种方式存在一定代价，例如不同 domain 之间会有重复的内存占用。但既然是沙箱环境且部署在服务器，问题并不严峻。如有需要，可以考虑为 Mono 的 domain 添加 share 机制，以减少相关开销。

异步模型

在 C/C++ 中，最简单的异步编程模型是基于回调（callback）的，也可以使用协程等其他模型。C# 内置了 await、yield 等关键字，极大地增强了 GamePlay 层的异步编程能力，使 C/C++ 与 C# 之间、C# 与 C# 之间的异步编程（例如网络通信逻辑流程）成为可能。Unity 提供了一套简易的协程机制（StartCoroutine），而在 StickEngine 中则另起炉灶。以下示例说明基本用法和原理。

运行结果如下：

性能差异简要分析

C# 虽是编译型语言，但其基本运行方式与 Java 类似——生成中间语言 IL。Mono 提供两种执行模式：JIT 和 AOT。除此之外，还需考虑与纯 C/C++ 实现 GamePlay 代码相比的性能差异。引入 C# 后，C/C++ 与 C# 之间的交互会带来诸多额外代价，例如内存至少需要双重拷贝、box/unbox 开销，以及托管代码与非托管代码之间的转换。以下通过几个小测试来量化 C# 引入的代价。

下面是 C/C++ 实现移动逻辑，耗时：33 ms

下面是 C# 实现的位移逻辑，耗时：36 ms

C/C++：

C#：

上述两个对比测试使用 Mono 默认的 JIT 模式。在该典型 GamePlay 代码案例中，引入 C# 的代价相当小，损耗约为 10%。切换为 AOT 模式后，理论上代价将进一步降低。需要注意的是，上述案例属于典型 GamePlay 代码；在 box/unbox、P/Invoke 调用密集的场景下，损耗占比将会更高。因此，合理的结构设计对于降低性能开销至关重要。