[Kytten DevBlog] Kytten 的 C# 脚本系统：Mono 篇

发布于 559 天前

Kytten 的 C# 脚本系统正在开发中，部分技术还在调研和测试。

C# 脚本系统概述

什么是 C# 脚本系统？

C# 脚本系统，是指在引擎非托管层面内嵌 C# 托管运行时，从而实现非托管代码和 C# 托管代码的相互调用，进而进行封装，实现一套机制，允许用户使用脚本编写游戏逻辑、插件、编辑器扩展等等。

游戏引擎为什么通常需要 C# 脚本系统？

因为，C# 相比其他底层语言 (C/C++/Rust) 更容易掌握和理解，开发者如果使用 C# 进行脚本编程的话，上手会更简单，学习成本更低，开发效率更高。同时，C# 是类型安全的语言，这能保证绝大多数情况下代码的安全性。并且，考虑到开发者不希望手动管理内存，C# 就更合适了，它有垃圾回收器。

还有一个原因是 C# 有更好的生态系统，C# 的背后是 .NET，而 .NET 具有庞大的生态体系。未来，.NET 将会成为一个真正大一统的平台，届时，C# 就是 YYDS。

Mono VS CoreCLR

Mono

Mono 是一个开源项目，由 Xamarin 公司发起。由于 .NET Framework 只支持 Windows，Mono 应运而生，它的目标是实现跨平台的运行时，实现与 .NET Framework 相同的 ECMA 规范，兼容大部分 .NET Framework 的代码，从而支持使用 C# 编写主流的桌面平台和移动平台的应用程序和库。后来，微软收购了 Xamarin。现在，Mono 具有两个版本，一个由原 Mono 团队继续维护，另一个由微软自己维护，两者功能有所区别，前者更通用，是游戏引擎脚本系统的常用第三方库，后者主要针对微软自家的产品做出了更多的兼容和优化，内嵌到游戏引擎的话并不合适。

GitHub - mono/mono: Mono open source ECMA CLI, C# and .NET implementation.

runtime/src/mono at main · dotnet/runtime

CoreCLR

CoreCLR 也是一个开源项目，由微软发起。考虑到 .NET Framework 不支持跨平台，不开源，无法得到社区的支持，微软决定开发一款全新的开源跨平台公共语言运行时，也就是 CoreCLR。它基于 .NET Framework CLR，但它针对平台相关实现进行了重写，对 GC 部分进行了升级和优化，同时提高了多线程和任务等核心功能的性能，其中最重要的是支持跨平台。不过目前，CoreCLR 只支持主流的桌面平台，对于移动平台，微软暂时还是采用 Mono。

GitHub - dotnet/runtime: .NET is a cross-platform runtime for cloud, mobile, desktop, and IoT apps.

Mono 与 CoreCLR 的优缺点

Mono 的优势在于，比 CoreCLR 支持更多平台，且内嵌更方便。为什么更方便？因为它的绑定机制更灵活。它支持两种绑定机制：

P/Invoke (平台调用)
Mono 内嵌 API

P/Invoke 涉及到更多关于 DLLImport 特性 (最新的为 LibraryImport 特性)、调用约定 (Calling Convention)、封送 (Marshaling) 相关的种种内容，相对而言更加复杂，且容易出错，其中任意一个环节出了问题，绑定就失败了，如果我们使用 Mono 的话，通常不会使用 P/Invoke 进行内嵌。

Mono 内嵌 API 则支持在 C++ 层面添加内部调用 (Internal Call)，然后在 C# 层面声明为外部方法 (External Method)，只要命名空间、类名、方法名一一匹配，即可完成绑定。并且，封送也更加方便。以字符串为例，如果是 P/Invoke，则需要指定字符串的封送方式，编码格式等等。Mono 内嵌 API 使用 MonoString 则可以很好地解决字符串封送问题，mono 为此提供了很多便捷的 API。

C Type	Mono Type	C to Mono	Mono to C
strings, char *	MonoString *	mono_string_new, mono_string_new_len, mono_string_new_wrapper, mono_string-new_utf16	mono_string_to_utf8, mono_string_to_utf16

CoreCLR 的优势在于它具有更高的性能和更高的 C# 版本。它的 GC 比 Mono GC 性能要好很多，且提供了更多现代化的功能，例如 Span、Memory 这些为了提高性能而诞生的结构，提供了更多优化性能后的功能组件，支持最新的 C# 版本 (目前是 11)。但是，CoreCLR 目前仅支持以 P/Invoke 的形式进行代码绑定，所以对于内嵌到游戏引擎中而言更为复杂。我们需要在 C++ 层面加载 hostfxr，进而使得游戏引擎成为 CoreCLR 的宿主，这样可以调用 C# 托管代码。但是对于 C# 调用 C++ 代码的情况，我们还是得通过 P/Invoke 去实现。

learn.microsoft.com

Kytten Roadmap

在 Kytten 0.1.0 的 Roadmap 中，我们计划将 mono 嵌入到引擎中，作为脚本系统的底层核心之一，这样就可以最简单地实现 C# 脚本编程，不过支持的 C# 版本会相对低一些，性能也会差一些。

在未来，我们计划将 .NET 8.0 (LTS) 嵌入到引擎中，作为脚本系统的又一底层核心。.NET 的 CoreCLR 会给脚本系统带来巨大的性能提升以及最新 C# 语言版本带来的新特性。

如果 CoreCLR 未来提供内嵌 API，那么绑定就更加方便了，希望微软后面会提供这些 API。

如果 C# 脚本系统有两套不同的运行时方案，根据编译器宏参数进行开启和关闭，那么我们还需要编写绑定代码生成器，或者利用源生成器 (Source Generators) ，根据选用的运行时 (Mono 或者 CoreCLR) 来生成相应的绑定代码 (使用 Internal Call 或者使用 DLLImport / LibraryImport)。

游戏引擎内嵌 Mono (以 Windows 为例)

在游戏引擎中内嵌 Mono 是比较轻松的，因为 Mono 已经为我们提供了内嵌 API，直接使用即可。在正式内嵌 Mono 之前，我们需要编译或者安装 Mono 以获得必要的文件。

编译 Mono 需要一定的时间，直接安装 Mono 一般而言是不错的选择。不过一旦你需要更改 Mono 中的部分逻辑以实现新功能，那就必须编译自己更改后的 Mono。

内嵌 Mono 的原理

简单描述，就是，C/C++ 中，托管了一个 Mono 运行时，在 Mono 运行时中初始化 AppDomain，加载程序集等等。

Embedding Mono | Mono

编译 Mono 并获得必要文件

提示：需要科学上网环境，需要消耗较长时间。
需要 Visual Studio 环境，并且安装了 C++ 桌面开发环境。

开启 Windows 开发者模式

设置→更新和安全→开发者选项→开发人员模式→开

下载 Cygwin 并安装依赖组件

点击下载

下载后，从 CMD 在下载目录执行以下命令进行安装：

setup-x86_64.exe -P autoconf,automake,bison,gcc-core,gcc-g++,mingw64-i686-runtime,mingw64-i686-binutils,mingw64-i686-gcc-core,mingw64-i686-gcc-g++,mingw64-i686-pthreads,mingw64-i686-w32api,mingw64-x86_64-runtime,mingw64-x86_64-binutils,mingw64-x86_64-gcc-core,mingw64-x86_64-gcc-g++,mingw64-x86_64-pthreads,mingw64-x86_64-w32api,libtool,make,python,gettext-devel,gettext,intltool,libiconv,pkg-config,git,curl,wget,libxslt,bc,patch,cmake,perl,yasm,unzip

如果遇到 libusb0 安装失败的问题，可以暂时忽略它，点击下一步即可。

编译 Mono

打开 Cygwin 以后，会进入命令行窗口。

我们执行以下命令克隆 Mono 仓库，并切换到最新发布的 Tag，设置安装路径为 mono 源码根目录中的 install 文件夹：

cd ~
git clone https://github.com/mono/mono.git # Or your own mono git repo
cd mono
git checkout 73df89a # The latest released tag's commit hash
export PREFIX=~/mono/install
export PATH=$PREFIX/bin:$PATH

此时 mono 仓库已经克隆下来了，我们在文件资源浏览器中打开 (Cygwin根目录/home/[用户名]/mono ，进入 msvc 文件夹，双击打开 mono.sln 解决方案，然后编译解决方案。可以选择 Debug / Release + x64 / Win32，根据需求编译即可。此步的目的是获得 MSVC 支持的静态库文件。

可能会遇到 libtest 编译没有通过（常量中有换行符）的情况，没有关系，应该是测试用例或者代码页出现的编码问题，不影响其他核心库的编译即可。

编译并安装 64 位版本 Mono：

./autogen.sh --prefix=$PREFIX --host=x86_64-w64-mingw32 --disable-boehm
make get-monolite-latest
make -j8
make install

编译并安装 32 位版本 Mono：

./autogen.sh --prefix=$PREFIX --host=i686-w64-mingw32 --disable-boehm
make get-monolite-latest
make -j8
make install

获得必要的文件

需要获得的文件包括：

静态库文件
头文件
配置文件
运行时 DLL 集合

静态库文件在 msvc/build/ 中，例如，如果我在 mono.sln 中选择的编译配置为 Debug + x64，那么对应的需要获得的静态库文件为在 msvc/build/sgen/x64/lib/Debug/ 中的 libmono-static-sgen.lib 。

头文件在 msvc/include/ 中，mono 文件夹中包含的就是我们所需要的所有头文件。

配置文件在 install/etc/ 中，mono 文件夹中包含了我们所需要的所有配置文件。

运行时 DLL 集合则在 install/lib/mono/ 中，通常而言，我们只需要其中的 4.5 文件夹，并且，该文件夹中我们只关心 .dll 后缀的程序集文件，其他文件我们不需要。

安装 Mono 并获得必要文件

下载并安装 Mono

进入 Mono 官网，下载最新稳定版，具体选择 32 位还是 64 位看需求。

下载后运行安装即可。

获得必要的文件

需要获得的文件包括：

静态库文件
头文件
配置文件
运行时 DLL 集合

以 Mono 安装目录为准。 Mono 64 位默认的的安装目录为 C:\Program Files\Mono 。后续 Mono 安装目录以 %MONO_DIR% 代替。

静态库文件为在 %MONO_DIR%/lib/ 中的 libmono-static-sgen.lib 。

头文件在 %MONO_DIR%/include/mono-2.0/ 中，mono 文件夹中包含的就是我们所需要的所有头文件。

配置文件在 %MONO_DIR%/etc/ 中，mono 文件夹中包含了我们所需要的所有配置文件。

运行时 DLL 集合则在 %MONO_DIR%/lib/mono/ 中，通常而言，我们只需要其中的 4.5 文件夹，并且，该文件夹中我们只关心 .dll 后缀的程序集文件，其他文件我们不需要。

项目设置

添加静态链接

根据你的引擎项目结构，链接 libmono-static-sgen.lib 。在 Windows 下，直接链接它是存在链接错误的，还需要同时链接以下库：

Mswsock.lib
ws2_32.lib
psapi.lib
version.lib
winmm.lib
Bcrypt.lib

Kytten 目前基于 CMake 构建，以下是 Kytten 关于链接 mono 静态库的部分 CMake 代码，省略了 Linux 和 MacOS 的部分：

# Link Mono
set(MONO_HEADER_FILES_DIR ${THIRD_PARTY_DIR}/mono)
if (PLATFORM_WINDOWS)
    set(MONO_ROOT_DIR ${PLATFORM_ROOT_DIR}/Windows/Binaries/Mono)
    set(MONO_LIB_DIR ${MONO_ROOT_DIR}/${ARCH}/lib/${CMAKE_BUILD_TYPE})
    target_link_libraries(${TARGET_NAME} PUBLIC ${MONO_LIB_DIR}/libmono-static-sgen.lib)
    target_include_directories(${TARGET_NAME} PUBLIC $<BUILD_INTERFACE:${MONO_HEADER_FILES_DIR}>)

    # Link mono dependencies on Windows
    target_link_libraries(${TARGET_NAME} PUBLIC "Mswsock.lib")
    target_link_libraries(${TARGET_NAME} PUBLIC "ws2_32.lib")
    target_link_libraries(${TARGET_NAME} PUBLIC "psapi.lib")
    target_link_libraries(${TARGET_NAME} PUBLIC "version.lib")
    target_link_libraries(${TARGET_NAME} PUBLIC "winmm.lib")
    target_link_libraries(${TARGET_NAME} PUBLIC "Bcrypt.lib")
elseif(PLATFORM_LINUX)
    # ...
elseif(PLATFORM_DARWIN)
    # ...
else()
    message(WARNING "Currently, Kytten Mono doesn't support this platform.")
endif()

关键步骤

包含头文件

#include <mono/jit/jit.h>
#include <mono/metadata/assembly.h>
#include <mono/metadata/mono-config.h>

设置 Mono 的相关路径和配置

Mono 可以指定 .NET 运行库路径和配置路径。如果不指定，则会默认尝试从常用安装目录寻找，如果最终找不到，后续初始化 AppDomain 时则会报错。

mono_set_dirs("lib/mono/lib", "lib/mono/etc");

除此之外，我们还需要解析 config 文件以初始化 DLL 映射，否则在 MacOS 和 Linux 上可能会出现找不到 DLL 的问题。

mono_config_parse("lib/mono/etc/mono/config");

初始化 AppDomain

AppDomain 主要用于隔离应用程序。一般，对于游戏引擎而言，我们创建一个 AppDomain 即可。

MonoDomain* domain = mono_jit_init("KyttenEngineScripting");

上述代码创建了一个名为 “KyttenEngineScripting” 的 AppDomain。

加载程序集

我们首先创建一个 .NET Framework 控制台程序，项目名为 MonoTest，编写 Program.cs：

using System;

namespace MonoTest
{
    internal class Program
    {
        static int Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("Hello, Mono!");
            return 0;
        }
    }
}

这个程序的主方法会打印一行 “Hello, Mono!”，返回 0。

由于仅仅是为了测试，我们生成程序集 (此处是 exe 文件)，并将程序集拷贝到合适的位置，以供后续加载。

然后我们在引擎内部尝试加载这个程序集。

我们在我们之前初始化的 AppDomain 中加载程序集：

MonoAssembly* assembly = mono_domain_assembly_open(domain, "MonoTest.exe");
if (!assembly)
{
    // Handle error
}

添加内部调用 (Internal Call)

加下来我们添加一个内部调用，以供后续 C# 层面绑定。

我们创建一个静态方法 Hello：

// internal call test function
static void Hello(MonoString* name)
{
    std::cout << "Hello, " << mono_string_to_utf8(name) << "!" << std::endl;
}

然后添加内部调用：

mono_add_internal_call("SomeNameSpace.SomeClass::Hello", reinterpret_cast<void*>(&Hello));

这样，C# 那边就可以声明一个外部方法来与之绑定了。

C# 调用 C++

我们需要根据内部调用所定义的命名空间名称、类型名称、方法名称来一一匹配，声明一个外部方法。我们在 MonoTest 项目中创建一个 InternalCall.cs:

using System.Runtime.CompilerServices;

namespace SomeNameSpace
{
    class SomeClass
    {
        [MethodImpl(MethodImplOptions.InternalCall)]
        public static extern void Hello(string name);
    }
}

到这里，Hello 方法就完成了绑定。我们在 Main 方法中调用这个外部方法：

using System;

namespace MonoTest
{
    internal class Program
    {
        static int Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("Hello, Mono!");

            // Invoke an external method
            SomeNameSpace.SomeClass.Hello("Game Engine Developer");
            return 0;
        }
    }
}

C++ 调用 C#

当然，我们最后希望在 C++ 层面调用 Main 方法，我们可以这样实现：

void*       args[1];
args[0]                  = mono_array_new(domain, mono_get_string_class(), 0);
MonoClass* programClass = mono_class_from_name(image, "MonoTest", "Program");
MonoMethod* mainMethod   = mono_class_get_method_from_name(programClass, "Main", 1);
MonoObject* result       = mono_runtime_invoke(mainMethod, nullptr, args, nullptr);
int         resultCode   = *static_cast<int*>(mono_object_unbox(result));

这个代码片段，首先使用 mono_array_new 定义了一个空字符串数组，作为 Main 方法的参数。

然后使用 mono_class_from_name 通过命名空间名称、类型名称找到对应的类型，在 Mono 中对应 MonoClass* 。

然后使用 mono_class_get_method_from_name 根据方法名称和参数个数，找到对应的方法，在 Mono 中对应 MonoMethod* 。

最后，使用 mono_runtime_invoke 调用找到的方法，传入之前创建的空字符串数组作为参数，返回一个 MonoObject* 。如果该方法没有返回值，则此处返回 nullptr。

当然，我们实现的 Main 方法返回 0，我们需要对 MonoObject 进行拆箱，得到实际返回的 int 值。

这是一个比较典型的调用方法的例子。除了这种调用方式，Mono 还提供了其他非常多的方式，API 众多，这里不多提及。

最终执行效果：

Hello, Mono!
Hello, Game Engine Developer!

引擎内部封装

由于 Mono 提供的是面向过程的 C API，接下来只需要根据引擎的项目结构，对 Mono 相关结构和函数进行基于 C++ 的 OOP 封装，自己设计并实现脚本的生命周期，实现事件/消息系统，实现一套运行时反射系统等等。

MacOS 和 Linux 平台上 Mono 的内嵌步骤与 Windows 平台实际上大同小异。

下一篇脚本系统相关的内容应该就是在引擎中内嵌 .NET 8.0 (LTS) 了，请耐心等候。

扩展阅读

Porting the Unity Engine to .NET CoreCLR | xoofx

runtime/native-hosting.md at main · dotnet/runtime

Interop with Native Libraries | Mono

FlaxEngine/Source/Engine/Scripting at master · FlaxEngine/FlaxEngine

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什么是 C# 脚本系统？

游戏引擎为什么通常需要 C# 脚本系统？

Mono VS CoreCLR

Mono

CoreCLR

Mono 与 CoreCLR 的优缺点

Kytten Roadmap

游戏引擎内嵌 Mono (以 Windows 为例)

内嵌 Mono 的原理

编译 Mono 并获得必要文件

开启 Windows 开发者模式

下载 Cygwin 并安装依赖组件

编译 Mono

获得必要的文件

安装 Mono 并获得必要文件

下载并安装 Mono

获得必要的文件

项目设置

添加静态链接

关键步骤

包含头文件

设置 Mono 的相关路径和配置

初始化 AppDomain

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添加内部调用 (Internal Call)

C# 调用 C++

C++ 调用 C#

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