C#调用Windows API详解（上）

以前我写过通过WMI来获取有关系统信息的系列文章，确实通过WMI能够恨轻易地实现很多我们想实现的功能，不过有些情况下我们很难利用WMI来实现一些复杂的功能，比如最近我做的一个项目，其中有一个功能就是要更改系统当前时间，利用WMI就很难实现（我没有找到相关的方法），还有一些其它方面的功能，也比较难以通过WMI来实现，也许是WMI需要较高的权限才能执行的原因吧。所以，尽管我们不愿意，但是又不得不通过调用Windows 的API来实现。本文的目的就是讲述如何在C#中调用Windows的系统API。
本文将按照下面的步骤分别讲解：
API简介
C#中的简单数据类型与API中的数据类型对应关系
如何在调用API时传递复杂参数:封装类、结构和联合
如何调用API
如何确保成功调用API

API简介
Windows API(Application Programming Interface，应用编程接口)是微软为了方便广大Windows开发人员调用系统底层功能而公开的一系列函数接口。.net中的函数很多就是对系统底层API的一些封装，但是在.net中并没有包含Windows所有的API函数。所幸的是，在.net中允许我们调用系统的API函数，并且还可以根据需要向系统API传递输入或者输出参数。

当调用非托管API函数时，它将依次执行以下操作：
1．查找包含该函数的 DLL。
2．将该 DLL 加载到内存中。
3．查找函数在内存中的地址并将其参数推到堆栈上，以封送所需的数据（注意：只在第一次调用函数时，才会查找和加载 DLL 并查找函数在内存中的地址。）。
4．将控制权转移给非托管函数。
5．对非托管 DLL 函数的“平台调用”调用
平台调用会向托管调用方引发由非托管函数生成的异常。

DLL 函数的标识包括以下元素：
函数的名称或序号
实现所在的 DLL 文件的名称

例如，如果指定 User32.dll 中的 MessageBox 函数，需要标识该函数 (MessageBox) 及其位置（User32.dll、User32 或 user32）。Microsoft Windows 应用程序编程接口 (Win32 API) 可以包含每个字符和字符串处理函数的两个版本：单字节字符 ANSI 版本和双字节字符 Unicode 版本。如果不进行指定，CharSet 字段所表示的字符集将默认为 ANSI。某些函数可以有两个以上的版本。

MessageBoxA 是 MessageBox 函数的 ANSI 入口点；而 MessageBoxW 是 Unicode 版本。可以通过运行各种命令行工具，为特定 DLL（例如 user32.dll）列出函数名。例如，可以使用 dumpbin /exports user32.dll 或 link /dump /exports user32.dll 来获取函数名。

您可以在代码中将非托管函数重命名为任何所需的名称，但是要将该新名称映射到 DLL 中的初始入口点。有关在托管源代码中重命名非托管 DLL 函数的说明，请参见指定入口点。

利用平台调用，可以通过调用 Win32 API 和其他 DLL 中的函数来控制操作系统中相当大的一部分。除了 Win32 API 之外，还有许多其他的 API 和 DLL 可通过平台调用来调用。

下面将说明 Win32 API 中几个常用的 DLL。
GDI32.dll：用于设备输出的图形设备接口 (GDI) 函数，例如用于绘图和字体管理的函数。
Kernel32.dll：用于内存管理和资源处理的低级别操作系统函数。
User32.dll：用于消息处理、计时器、菜单和通信的 Windows 管理函数。

涉及到函数调用，自然免不了要向系统API提供参数或者获取调用系统API之后的返回值，由于Windows采用了C/C++开发的，而我们调用的程序语言是C#，二者的数据类型自然会存在一些不一致的情况，下面的表列出了二者之间的一个对应关系。

下表列出了在 Win32 API（在 Wtypes.h 中列出）和 C 样式函数中使用的数据类型。许多非托管库包含将这些数据类型作为参数传递并返回值的函数。第三列列出了在托管代码中使用的相应的 .NET Framework 内置值类型或类。某些情况下，您可以用大小相同的类型替换此表中列出的类型。

Wtypes.h 中的非托管类型	非托管 C 语言类型	托管类名	说明
HANDLE	void*	System.IntPtr	在 32 位 Windows 操作系统上为 32 位，在 64 位 Windows 操作系统上为 64 位。
BYTE	unsigned char	System.Byte	8 位
SHORT	short	System.Int16	16 位
WORD	unsigned short	System.UInt16	16 位
INT	int	System.Int32	32 位
UINT	unsigned int	System.UInt32	32 位
LONG	long	System.Int32	32 位
BOOL	long	System.Int32	32 位
DWORD	unsigned long	System.UInt32	32 位
ULONG	unsigned long	System.UInt32	32 位
CHAR	char	System.Char	用 ANSI 修饰。
LPSTR	char*	System.String 或 System.Text.StringBuilder	用 ANSI 修饰。
LPCSTR	Const char*	System.String 或 System.Text.StringBuilder	用 ANSI 修饰。
LPWSTR	wchar_t*	System.String 或 System.Text.StringBuilder	用 Unicode 修饰。
LPCWSTR	Const wchar_t*	System.String 或 System.Text.StringBuilder	用 Unicode 修饰。
FLOAT	Float	System.Single	32 位
DOUBLE	Double	System.Double	64 位

如何在调用API时传递复杂参数:封装类、结构和联合
类和结构在 .NET Framework 中是类似的。它们都可以具有字段、属性和事件。它们也有静态和非静态方法。一个显著区别是结构属于值类型而类属于引用类型。
结构：
比如一个常用函数，用于获取日期时间的，原始声明如下：

VOID GetSystemTime(LPSYSTEMTIME lpSystemTime);

这个方法位于Kernel32.dll类库中，这个方法需要一个SYSTEMTIME的结构，其原始声明如下：
typedef struct _SYSTEMTIME {
WORD wYear;
WORD wMonth;
WORD wDayOfWeek;
WORD wDay;
WORD wHour;
WORD wMinute;
WORD wSecond;
WORD wMilliseconds;
} SYSTEMTIME, *PSYSTEMTIME;

根据C#中简单数据类型与C/C++中数据类型的对应关系，我们可以完成如下代码：

public struct SystemTime
{
public ushort wYear;
public ushort wMonth;
public ushort wDayOfWeek;
public ushort wDay;
public ushort wHour;
public ushort wMinute;
public ushort wSecond;
public ushort wMilliseconds;

}

对上面的API方法的调用声明如下：
[DllImport("kernel32.dll", EntryPoint = "SetSystemTime")]
public static extern void GetSystemTime(
SystemTime systemTime
);

在默认情况下，上面的方法将SystemTime类In/Out 参数进行传递。必须用 InAttribute 和 OutAttribute 属性声明该参数，因为作为引用类型的类在默认情况下将作为输入参数进行传递。为使调用方接收结果，必须显式应用这些方向属性，如ref或者out。
另外，我们还需要指定结构在内存中的布局，这个我们可以在声明结构时加以StructLayout属性来指明。而StructLayout属性需要一个layoutKind的枚举值。它有如下几个值：

成员名称	说明
Auto	运行库自动为非托管内存中的对象的成员选择适当的布局。使用此枚举成员定义的对象不能在托管代码的外部公开。尝试这样做将引发异常。
Explicit	对象的各个成员在非托管内存中的精确位置被显式控制。每个成员必须使用 FieldOffsetAttribute 指示该字段在类型中的位置。
Sequential	对象的成员按照它们在被导出到非托管内存时出现的顺序依次布局。这些成员根据在 StructLayoutAttribute.Pack 中指定的封装进行布局，并且可以是不连续的。

在本例中，使用Sequential就行了。上面的C#结构描述修正如下：
[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
public struct SystemTime
{
public ushort wYear;
public ushort wMonth;
public ushort wDayOfWeek;
public ushort wDay;
public ushort wHour;
public ushort wMinute;
public ushort wSecond;
public ushort wMilliseconds;

}

当然如果想声明成Explicit也是可以的，如下：

[StructLayout(LayoutKind.Explicit, Size=16, CharSet=CharSet.Ansi)]
public struct MySystemTime
{ [FieldOffset(0)]
public ushort wYear;
[FieldOffset(2)]
public ushort wMonth;
[FieldOffset(4)]
public ushort wDayOfWeek;
[FieldOffset(6)]
public ushort wDay;
[FieldOffset(8)]
public ushort wHour;
[FieldOffset(10)]
public ushort wMinute;
[FieldOffset(12)]
public ushort wSecond;
[FieldOffset(14)]public ushort wMilliseconds;
}
每个字段的FieldOffset依次递增为2字节，因为严格ushort占用的内存大小也正好是2字节。总共8个字段，因此总共16字节。在这里又多用了一个CharSet属性声明，它是用来规定封送字符串应使用何种字符集。它也是一个枚举类型，对可能值和对应描述如下：

成员名称	说明
Auto	针对目标操作系统适当地自动封送字符串。在 Windows NT、Windows 2000、Windows XP 和 Windows Server 2003 系列上默认值为 Unicode；在 Windows 98 和 Windows Me 上默认值为 Ansi。尽管公共语言运行库默认值为 Auto，使用语言可重写此默认值。例如，默认情况下，C# 将所有方法和类型都标记为 Ansi。
Ansi	以多字节字符串的形式封送字符串。
None	此值已过时，它与 CharSet.Ansi 具有相同的行为
Unicode	以 Unicode 2 字节字符形式封送字符串。

待续.....