前言

在Windows Forms (WinForms) 应用程序开发过程中，动画绘制往往会占用大量的UI线程资源，导致应用程序卡顿甚至无响应。本文将介绍如何通过结合C++和C#，在WinForms应用中实现高效的动画绘制，从而提升应用性能。

为什么选择C++与C#结合？

C#是开发WinForms应用的主要语言，其强大的功能和易用性使其成为许多开发者的首选。然而，C#运行在.NET托管环境中，性能上较C++稍逊一筹。C++作为一种底层语言，可以直接生成机器码，具有更高的执行效率。因此，将复杂的动画绘制逻辑交给C++处理，可以大大减轻C# UI线程的负担，从而提升应用性能。

动画绘制的实现方案对比

C# 自己在Panel中调用动画

直接在C#中实现动画绘制非常直观和简洁，展示如何在Panel上绘制五角星：

using System.Diagnostics;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace AnimationDrawer
{
    public partial class Form1 : Form
    {       
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
            panel1.MouseClick += new MouseEventHandler(panel1_MouseClick);
        }

        private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
        {
            Task.Run(() =>
            {
                int i = 0;
                while (true)
                {
                    int x = new Random().Next(1000);
                    int y = new Random().Next(1000);
                    panel1_MouseClick(this, new MouseEventArgs(MouseButtons.Left, 1, x, y, 1));
                    Thread.Sleep(100);
                }
            });
        }
        private void panel1_MouseClick(object sender, MouseEventArgs e)
        {
            Task.Run(() =>
            {
                Stopwatch st = new Stopwatch();
                st.Start();
                // 在后台线程执行动画逻辑，减少UI线程负担
                Invoke(new Action(() =>
                {
                    Graphics g = panel1.CreateGraphics();
                    DrawStar(g, e.X, e.Y, 50);
                    g.Dispose();
                }));
                st.Stop();
                Trace.WriteLine(#34;DrawStar {st.ElapsedMilliseconds} ms");
            }); 
        }

        private void DrawStar(Graphics g, int x, int y, int radius)
        {
            const double PI = 3.14159265358979323846;
            Point[] points = new Point[100000];

            for (int i = 0; i < 100000; ++i)
            {
                double angle = i * PI / 5;
                int r = (i % 2 == 0) ? radius : radius / 2;
                points[i] = new Point(x + (int)(r * Math.Cos(angle - PI / 2)), y + (int)(r * Math.Sin(angle - PI / 2)));
            }

            g.DrawPolygon(Pens.Red, points);
        }
    }
}

这个示例比较简单，基本意思就是在Panel上的随机位置绘制一个五角星。程序启动后执行绘制动画。

监控执行结果：

。。。。
DrawStar 8025 ms
DrawStar 8010 ms
DrawStar 7900 ms
DrawStar 7860 ms
DrawStar 7981 ms
DrawStar 7959 ms
DrawStar 8174 ms
DrawStar 8210 ms
程序“[12332] AnimationDrawer.exe”已退出，返回值为 4294967295 (0xffffffff)。

因为绘制Point点比较多，接近10万，所以每次绘制消耗时间比较长。现在我们来看看C++编码如何实现

C++ 函数实现的动画

通过C++实现动画绘制，可以更有效地利用系统资源，减少UI线程的占用。以下是一个C++代码示例，用于绘制五角星：

编写C++部分代码：AnimationDrawer.cpp，和C#绘制一样，也是10万个Point.

// AnimationDrawer.cpp
#include "pch.h"
#include <windows.h>
#include <cmath>

void DrawStar(HDC hdc, int x, int y, int radius)
{
    const double PI = 3.14159265358979323846;
    POINT points[100000];

    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        double angle = i * PI / 5;
        int r = (i % 2 == 0) ? radius : radius / 2;
        points[i] = { x + static_cast<int>(r * cos(angle - PI / 2)), y + static_cast<int>(r * sin(angle - PI / 2)) };
    }

    Polygon(hdc, points, 10);
}

extern "C" __declspec(dllexport) void __stdcall DrawStarAt(HDC hdc, int x, int y)
{
    DrawStar(hdc, x, y, 50);  // 绘制半径为50的五角星
}

编译上述代码生成一个DLL文件（如AnimationDrawerCpp.dll），然后在C#中调用：

using System.Diagnostics;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace AnimationDrawer
{
    public partial class Form1 : Form
    {
        [DllImport("AnimationDrawerCpp.dll", CallingConvention = CallingConvention.StdCall)]
        public static extern void DrawStarAt(IntPtr hdc, int x, int y);
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
            panel1.MouseClick += new MouseEventHandler(panel1_MouseClick);
        }

        private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
        {
            Task.Run(() =>
            {
                int i = 0;
                while (true)
                {
                    int x = new Random().Next(1000);
                    int y = new Random().Next(1000);
                    panel1_MouseClick(this, new MouseEventArgs(MouseButtons.Left, 1, x, y, 1));
                    Thread.Sleep(100);
                }
            });
        }
        private void panel1_MouseClick(object sender, MouseEventArgs e)
        {
            Task.Run(() =>
            {
                Stopwatch st = new Stopwatch();
                st.Start();
                Graphics g = panel1.CreateGraphics();
                IntPtr hdc = g.GetHdc();

                DrawStarAt(hdc, e.X, e.Y);

                g.ReleaseHdc(hdc);
                g.Dispose();
                st.Stop();
                Trace.WriteLine(#34;DrawStarAt {st.ElapsedMilliseconds} ms");
            });
        }
    }
}

这里，我们需要重点说明的是DrawStarAt函数的参数传递中hdc这个句柄的作用:

在 C# 中调用 C++ 方法并传递 Panel 控件的句柄（handle）用于实现跨语言的控件操作或者将 Windows 控件（如 Panel）的底层句柄传递给 C++ 代码进行操作。这里的句柄是一个指向控件在操作系统中唯一标识的标识符，它可以让底层的 C++ 代码直接与控件进行交互，例如绘制、操作、或者执行其他与控件相关的操作。

简单的说:句柄的传递，是C++绘制的代码得以在C#控件上绘制出来的核心，C#授权给C++代码操作控件进行重绘等操作。执行完毕后释放句柄。防止内存泄漏。

健康执行结果：

DrawStarAt 2 ms
DrawStarAt 2 ms
DrawStarAt 2 ms
DrawStarAt 2 ms
DrawStarAt 2 ms
DrawStarAt 3 ms
DrawStarAt 2 ms
DrawStarAt 2 ms
程序“[38600] AnimationDrawer.exe”已退出，返回值为 4294967295 (0xffffffff)。

性能对比与总结

从结果中，我们可以明显看出，双方执行代码的效率差距有多大。是因为，在性能方面，直接在C#中绘制动画会更多地占用UI线程，因为所有的绘制逻辑和动画计算都在C#的UI线程上执行。而通过调用C++函数实现的动画可以将一些计算和绘制的工作转移到C++代码中，从而减少C# UI线程的负担。

C# 在Panel中调用动画：

• 优点：代码编写和调试相对简单，所有逻辑都在C#中，无需处理跨语言调用的问题。
• 缺点：动画绘制直接在UI线程上进行，可以使用异步，但是过于频繁或者绘制耗时时，会阻塞UI线程，影响用户界面的响应速度。

C++ 函数实现的动画：

• 优点：动画逻辑和绘制由C++代码完成，可以提高性能，减少C# UI线程的负担。可以将复杂的计算和绘制逻辑转移到C++中，以减少C#中耗时的操作。
• 缺点：需要编写和调试C++代码，并处理跨语言调用，开发复杂度较高。

通过结合C++和C#，我们可以在WinForms应用中实现高效的动画绘制，提升用户体验。在实际开发中，可以根据项目需求选择合适的方案，以平衡性能和开发效率。如果你的应用也存在可以优化的空间，试试通过C++与C#结合实现高效动画绘制，提升WinForm应用性能，让用户体验更流畅！

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