SWIG高级应用之智能指针

SWIG 作为C++到其他语言包装的万能胶水语言，无疑是非常强大的，对于C++研发人员来说, SWIG 的使用做是作为必备技能来的，关于SWIG的基础知识我在前面的文章《SWIG与JAVA的交互指南》也详细的讲过了，这里不在叙述（如果还不清楚的自己去官网查资料）。在今天的这篇文章中，我们将学习一些SWIG的高级应用，这些应用可以让基于C++底层的其他高级语言二次开发变的与原生语言交互一致的用户体验。

ps:本文例子是基于C++包装C#，其他语言基本类似，更多的还是掌握其语言的特性。

在本专题中我们将会学到以下内容

• 如何改写swig模板实现自定义智能指针的封装问题（确保在C#只有智能指针和普通指针是一个类对象）
• 将自定义的字符串类转为平台默认的字符串类如（QString 转C#的String对象)
• 对于自己写的迭代类（如 vector<T>、List<T> 等）如何在C#中可以用如 foreach(var item:collections) 的使用方式来遍历对象
• 解决类的向下转换问题（默认不支持类的向下转换，如C#的 as功能)
• 解决C++类在C#中继承的对象的生命周期问题
  本章要解决自定义智能指针的封装问题。

改写SWIG智能指针

开始使用swig的时候很多人可能会有个疑惑，C++ new出来的对象是在堆上的，需要自己的手动调用释放才能将内存释放。但C#的生命周期管理是由C#的垃圾回收机制决定的。对于写C#的人而言，肯定不希望自己手动的去管理内存，太过麻烦，而且与C#的代码风格也是不一致的。

//以下是开始写代码经常遇到的问题，NEW的对象要手动去释放内存，对于C++来可说，可能还好一些，但是一旦封装到C#就成了一个大问题。
//一个加法类;
class AddCls
{
public:
    int add(int x, int y)
    {
        return x + y;
    }
};

//计算类;
class Calculate
{
public:
    AddCls* addCls()
    {
        return _add_class;
    }
    void setAddCls(AddCls* cls)
    {
        __add_class.reset(cls);
    }
private:
    AddCls* _add_class;
};

//C#类
Calculate cal=new Calculate();
cal.addCls().add(3,4);
//?? 什么时候释放，不释放就内存泄露，我是不是该加一个函数去释放呢？

方案一：使用template模板化智能指针

使用c++11的 std::shared_ptr 智能指针类来解决，在引用计数为0的时候就可以自动释放内存了。具体分为以下四步

1. 在代码的所需要的类的头文件中加入以下内容如:

#ifdef SWIG
%template(AddClsPtr)std::shared_ptr<AddCls>;
#endif

2. 改写需要使用这个类的地方的代码

class Calculate
{
public:
    std::shared_ptr<AddCls> addCls()
    {
        return _add_class;
    }
    void setAddCls(AddCls* cls)
    {
        _add_class.reset(cls);
    }
private:
    std::shared_ptr<AddCls> _add_class;//使用智能指针
};

3. 使用SWIG生成C#代码

发现有两个类似的C#文件（AddCls.cs 和AddClsPtr.cs) 一个是普通类生成的，一个是模板化指针类生成的。在C#使用是这样

Calculate cal=new Calculate();
AddClsPtr cls=new AddClsPtr();
//setAddCls 使用的是AddCls类，要使用智能指针的 get函数获取另一个类.
cal.setAddCls(cls.get());

看这个简单的例子好像还行，不是什么大的问题，但是对于一个大的系统而言，就算是有了代码规范，但是每个人的使用风格还是有一点差异的。如果使用方案1的方案，那这个友好度太差了，瞬间不想用了。

方案二 使用智能指针的SWIG模板

1. 在SWIG的i文件中，添加shared_ptr的swig头文件如 %include std::shared_ptr.i
2. 在代码的所需要的类的头文件中加入以下内容如:

#ifdef SWIG
%std::shared_ptr(AddCls); //注意与上面的不同，可以识别这个%std::shared_ptr关键字是因为加了头文件%include std::shared_ptr.i
#endif

3. Calculate这个类还是方案一的,通用SWIG生成C#文件

这个使用生成的文件只有一个文件AddCls.cs ,这个其实是智能指针类的封装（不是普通类的封装),原理是swig在对接口进行封装时都使用智能指针封装了一层出去。有兴趣的可以看看生成的cxx代码，可以发现所有关于这个AddCls作为参数输出都是std::shared_ptr(AddCls)。(相当于new了一个std::shared_ptr(AddCls)类，但是将ADDCls的指针传了进去。

4. C#中的使用

Calculate cal=new Calculate();
AddCls cls=new AddCls();
cal.setAddCls(cls);

方案二算是比较完美了，看起来C#的已经没有什么特别的地方了，不需要调用释放，也不需要在两个类中切换。

方案三 自己写智能指针模板

方案二使用C++11自带 std::shared_ptr ，但是有些场景还是希望使用自定义的智能指针。

• std::shared_ptr 是非侵入式指针，对于很多应用场景，还是使用侵入式的智能指针比较方便（可以普通指针和智能指针互用，主要是在某些地方可以确定智能指针的生命周期肯定存在时）
• 很多现成的框架时有自己的智能指针类的，改用shared_ptr就不太现实了.
• C++很喜欢自己造轮子，金窝银窝都不如自己的好。

编写SWIG的智能指针模板（假设定义的智能指针类为 Auto_Object)

主要还是参考 std::shared_ptr.i 这个头文件（可以在swig的安装包的LIB目录中找到，代码太长不贴出来了，有需要的可以联系我），这里做一个改造说明，以下是AutoObject.i文件的内容的部分说明

std::shared_ptr.i文件的代码使用说明，以下的example代码是基于std::shared_ptr.i头文件改造的

## 这个是我们在swig的i文件声明为某个类为智能指针的宏如 %Auto_Object(AddCls)
examples:
%define %Auto_Object(TYPE...)
%feature("autoptr", noblock=1) TYPE { Auto_Object< TYPE > }
SWIG_AUTOOBJECT_PTR_TYPEMAPS(SWIGEMPTYHACK, TYPE)
SWIG_AUTOOBJECT_PTR_TYPEMAPS(const, TYPE)
%enddef

## 关于typemaps的使用说明
//使用 %typemap 指令来指示转换代码行为，in表示从目标语言到C/C++，out表示从C/C++到目标语言
//主要作用是用来定义C/C++层包装代码的生成行为，可以定义各类类型在C++与C#的转换行为。
%typemap(in)                输入参数转换
%typemap(typecheck)  输入参数类型检查重载方法中使用的类型
%typemap(argout)        输出参数处理
%typemap(check)         输入参数值检查
%typemap(arginit)        输入参数初始化
%typemap(out)              函数返回值转换
%typemap(ret)               返回值资源管理（“ret”类型映射）
%typemap(newfree)      新分配对象的资源管理（“newfree”typemap）


examples:
//代表的是封装C++的代码到C的代码的使用，$input代表的是当前输入参数，$1当前参数的转换结果 TYPE是指类的类型如AutoCls
%typemap(in, canthrow=1) CONST TYPE & %{
  $1 = ($1_ltype)(((Auto_Object< CONST TYPE > *)$input) ? ((Auto_Object< CONST TYPE > *)$input)->get() : 0);
  if (!$1) {
    SWIG_CSharpSetPendingExceptionArgument(SWIG_CSharpArgumentNullException, "$1_type reference is null", 0);
    return $null;
  } %}
//csin是C#这边封装的代码，下面代码是指参数如果为Auto_Object<AddCls>,Auto_Object<AddCls>*,Auto_Object<AddCls>*,Auto_Object<AddCls>*&
//翻译出来的C#代码是   AutoCls.getCPtr(类的参数名);
%typemap(csin) Auto_Object< CONST TYPE >, 
               Auto_Object< CONST TYPE > &,
               Auto_Object< CONST TYPE > *,
               Auto_Object< CONST TYPE > *& "$typemap(cstype, TYPE).getCPtr($csinput)"

## TypesMap的参数说明，可参考官方文档
* csdirctorin csdirctorout directorout dierectorin 回调类参数处理 cs为C#这边代码，没有这个为C++这边处理代码
* csvarout csvarin varout,varin  全局参数
* in out csin csout 函数参数

## 智能指针类在C#的代理类
// 智能指针在C#中的代理类，这个是基类
%typemap(csbody) TYPE %{
  private global::System.Runtime.InteropServices.HandleRef swigCPtr;
  protected bool swigCMemOwnBase;
  public $csclassname(global::System.IntPtr cPtr, bool cMemoryOwn) {
    swigCMemOwnBase = cMemoryOwn;
    swigCPtr = new global::System.Runtime.InteropServices.HandleRef(this, cPtr);
  }
       
  public static global::System.Runtime.InteropServices.HandleRef getCPtr($csclassname obj) {
    return (obj == null) ? new global::System.Runtime.InteropServices.HandleRef(null, global::System.IntPtr.Zero) : obj.swigCPtr;
  }
%}

// 智能指针在C#中的代理类，这个是继承的类
%typemap(csbody_derived) TYPE %{
  //这个里面可以写一些C#的函数或者代码;
  private global::System.Runtime.InteropServices.HandleRef swigCPtr;

  public $csclassname(global::System.IntPtr cPtr, bool cMemoryOwn) : base($imclassname.$csclazznameSWIGSmartPtrUpcast(cPtr), true) {
    swigCMemOwnDerived = cMemoryOwn;
    swigCPtr = new global::System.Runtime.InteropServices.HandleRef(this, cPtr);
  }

  public static global::System.Runtime.InteropServices.HandleRef getCPtr($csclassname obj) {
    return (obj == null) ? new global::System.Runtime.InteropServices.HandleRef(null, global::System.IntPtr.Zero) : obj.swigCPtr;
  }
%}

侵入式智能指针模板

SWIG模板的使用对智能指针的实现没有特殊的要求，大家使用自己的智能指针类即可，类的名字必须与自己编写的i文件里的智能指针类一致即可，也可参考网上的实现 https://blog.csdn.net/jiange_zh/article/details/52512337<br />notes:SWIG3.10的版本在处理回调类的智能指针的时候是有问题，需要使用SWIG4.0以上的版本。

使用自定义智能指针模板

• swig的文件中添加包含文件如 %Auto_Object(ADDCls)
• 在需要使用的头文件写上宏

#ifdef SWIG
%Auto_Object<AddCls>;
#endif

• C#使用与方案二一样的方式即可