使用 D2D 绘制界面以及使用 AOT 发布的应用

2024-02-10码农

这是我用不到 370 行代码，从零开始控制台创建 Win32 窗口，再挂上交换链，在窗口上使用 D2D 绘制界面内容。最后使用 AOT 方式发布的测试应用。成品文件体积不超过 10MB 且运行内存稳定在 60MB 以内，满帧率运行但 CPU 近乎不动

整个测试应用采用了 .NET 8 的框架，用于更好的支持 AOT 发布

使用了 Vortice 系列库用于对 DirectX 的封装，方便让编写调用 DirectX 的代码

使用了 Microsoft.Windows.CsWin32 方便进行 Win32 方法的调用

所有的代码都写在 Program.cs 文件里面，代码长度不到 370 行，更有趣的是，可以强行算是都写在 Main 方法里面，由 Main 方法以及放在 Main 方法里面的局部方法构成。整体实现非常简单。我将会在本文末尾告诉大家本文的代码的下载方法

本文仅仅是分享我的开发经验，不包含 DirectX 的前置知识。如果不熟悉 D2D 和 DirectX 还请以看着玩的心态阅读本文

一开始采用了 DirectX 使用 Vortice 从零开始控制台创建 Direct2D1 窗口修改颜色和 dotnet DirectX 通过 Vortice 控制台使用 ID2D1DeviceContext 绘制画面博客提供的方法搭建了基础的应用框架

为了让界面更加的丰富，我准备在界面添加多个圆形。然后为了让界面动起来，我添加了名为 DrawingInfo 的结构体，用于存放每个圆形的坐标和大小等信息

readonlyrecordstructDrawingInfo(System.Numerics.Vector2Offset,SizeSize,D2D.ID2D1SolidColorBrushBrush);

先在绘制的循环外对 DrawingInfo 进行随机设置值

varellipseInfoList=newList<DrawingInfo>(); for(inti=0;i<3000;i++) { // 随意创建颜色 varcolor=newColor4((byte)Random.Shared.Next(255),(byte)Random.Shared.Next(255),(byte)Random.Shared.Next(255)); D2D.ID2D1SolidColorBrushbrush=renderTarget.CreateSolidColorBrush(color); ellipseInfoList.Add(newDrawingInfo(newSystem.Numerics.Vector2(Random.Shared.Next(clientSize.Width),Random.Shared.Next(clientSize.Height)),newSize(Random.Shared.Next(10,100)),brush)); }

进入循环之后，再每次修改 Offset 的值，这样就可以让每次绘制的圆形动起来

while(true) { // 开始绘制逻辑 renderTarget.BeginDraw(); // 清空画布 renderTarget.Clear(newColor4(0xFF,0xFF,0xFF)); // 在下面绘制漂亮的界面 for(vari=0;i<ellipseInfoList.Count;i++) { vardrawingInfo=ellipseInfoList[i]; varvector2=drawingInfo.Offset; vector2.X+=Random.Shared.Next(200)-100; vector2.Y+=Random.Shared.Next(200)-100; while(vector2.X<100||vector2.X>clientSize.Width-100) { vector2.X=Random.Shared.Next(clientSize.Width); } while(vector2.Y<100||vector2.Y>clientSize.Height-100) { vector2.Y=Random.Shared.Next(clientSize.Height); } ellipseInfoList[i]=drawingInfowith{Offset=vector2}; // 忽略其他代码 } // 忽略其他代码 }

以上的修改坐标代码只是为了让圆形每次都在其附近移动

附带就在里层循环将每个圆形绘制，代码如下

// 在下面绘制漂亮的界面 for(vari=0;i<ellipseInfoList.Count;i++) { // 忽略其他代码 renderTarget.FillEllipse(newD2D.Ellipse(vector2,drawingInfo.Size.Width,drawingInfo.Size.Height),drawingInfo.Brush); }

大概的改动如此，接下来咱需要改造一下 csproj 项目文件，让此项目可以构建出 AOT 版本的应用

先修改 TargetFramework 为 net8.0 使用 .NET 8 可以更好构建 AOT 应用

<PropertyGroup> <TargetFramework>net8.0</TargetFramework> </PropertyGroup>

接着为了减少不断提示的平台警告，添加以下代码忽略 CA1416 警告

<PropertyGroup> <TargetFramework>net8.0</TargetFramework> <NoWarn>CA1416</NoWarn> </PropertyGroup>

接着再添加 PublishAot 属性，这样调用发布命令之后，就可以自动创建 AOT 应用的文件

<PropertyGroup> <TargetFramework>net8.0</TargetFramework> <NoWarn>CA1416</NoWarn> <PublishAot>true</PublishAot> </PropertyGroup>

此时运行起来将不会成功，将会提示大概如下的错误

Unhandled Exception: System.MissingMethodException: No parameterless constructor defined for type 'Vortice.DXGI.IDXGIFactory2'. at System.ActivatorImplementation.CreateInstance(Type, BindingFlags, Binder, Object[], CultureInfo, Object[]) + 0x348 at SharpGen.Runtime.MarshallingHelpers.FromPointer[T](IntPtr) + 0x8c at Vortice.DXGI.DXGI.CreateDXGIFactory1[T]() + 0x55 at Program.<<Main>$>g__CreateD2D|0_2(Program.<>c__Display class0_0&) + 0x90 at Program.<Main>$(String[] args) + 0x23e at CedageawhakairnerewhalNaibiferenagifee!<BaseAddress>+0x17a3c0

或者是如下的错误

Unhandled Exception: System.MissingMethodException: No parameterless constructor defined for type 'Vortice.Direct3D11.ID3D11Device1'. at System.ActivatorImplementation.CreateInstance(Type, BindingFlags, Binder, Object[], CultureInfo, Object[]) + 0x348 at SharpGen.Runtime.MarshallingHelpers.FromPointer[T](IntPtr) + 0x8c at SharpGen.Runtime.ComObject.QueryInterface[T]() + 0x64 at Program.<<Main>$>g__CreateD2D|0_2(Program.<>c__Display class0_0&) + 0x1c7 at Program.<Main>$(String[] args) + 0x23e at CedageawhakairnerewhalNaibiferenagifee!<BaseAddress>+0x335cf0

这是因为这些引用的库里面的类型在 AOT 的裁剪过程被丢掉

修复的方法很简单，那就是将 Vortice 添加到 TrimmerRootAssembly 里面，防止在 AOT 过程被裁剪

<ItemGroup> <TrimmerRootAssemblyInclude="Vortice.Win32"/> <TrimmerRootAssemblyInclude="Vortice.DXGI"/> <TrimmerRootAssemblyInclude="Vortice.Direct3D11"/> <TrimmerRootAssemblyInclude="Vortice.Direct2D1"/> <TrimmerRootAssemblyInclude="Vortice.D3DCompiler"/> <TrimmerRootAssemblyInclude="Vortice.DirectX"/> <TrimmerRootAssemblyInclude="Vortice.Mathematics"/> </ItemGroup>

修改之后的 csproj 代码如下

<ProjectSdk="Microsoft.NET.Sdk"> <PropertyGroup> <OutputType>Exe</OutputType> <TargetFramework>net8.0</TargetFramework> <ImplicitUsings>enable</ImplicitUsings> <Nullable>enable</Nullable> <PublishAot>true</PublishAot> <NoWarn>CA1416</NoWarn> </PropertyGroup> <ItemGroup> <PackageReferenceInclude="Vortice.Direct2D1"Version="2.1.32"/> <PackageReferenceInclude="Vortice.Direct3D11"Version="2.1.32"/> <PackageReferenceInclude="Vortice.DirectX"Version="2.1.32"/> <PackageReferenceInclude="Vortice.D3DCompiler"Version="2.1.32"/> <PackageReferenceInclude="Vortice.Win32"Version="1.6.2"/> <PackageReferenceInclude="Microsoft.Windows.CsWin32"PrivateAssets="all"Version="0.2.63-beta"/> </ItemGroup> <ItemGroup> <TrimmerRootAssemblyInclude="Vortice.Win32"/> <TrimmerRootAssemblyInclude="Vortice.DXGI"/> <TrimmerRootAssemblyInclude="Vortice.Direct3D11"/> <TrimmerRootAssemblyInclude="Vortice.Direct2D1"/> <TrimmerRootAssemblyInclude="Vortice.D3DCompiler"/> <TrimmerRootAssemblyInclude="Vortice.DirectX"/> <TrimmerRootAssemblyInclude="Vortice.Mathematics"/> </ItemGroup> </Project>

完成以上配置之后，即可使用命令行 dotnet publish 将项目进行发布，如果在发布的控制台可以看到 Generating native code 输出，那就证明配置正确，正在构建 AOT 文件

完成构建之后，即可在 bin\Release\net8.0\win-x64\publish 文件夹找到构建输出的文件，在我这里看到的输出文件大小大概在 10MB 以下，大家可以尝试使用本文末尾的方法拉取我的代码自己构建一下，试试效果

运行起来的任务管理器所见内存大小大约是 30MB 左右，通过 VMMap 工具查看 WorkingSet 和 Private Bytes 都在 60MB 以内。虽然 Committed 的内存高达 300MB 但是绝大部分都是 Image 共享部分占用内存，如显卡驱动等部分的占用，这部分占用大约在 250MB 以上，实际的 Image 的 private 的占用不到 10MB 大小

我认为这个技术可以用来制作一些小而美的工具，甚至是不用考虑 x86 的，只需考虑 x64 的机器上运行的应用的安装包制作程序。要是拿着 D2D 绘制的界面去当安装包的界面，那估计安装包行业会卷起来

以下是所有的代码

usingD3D=Vortice.Direct3D; usingD3D11=Vortice.Direct3D11; usingDXGI=Vortice.DXGI; usingD2D=Vortice.Direct2D1; usingSystem.Runtime.CompilerServices; usingSystem.Runtime.InteropServices; usingWindows.Win32.Foundation; usingWindows.Win32.UI.WindowsAndMessaging; usingstaticWindows.Win32.PInvoke; usingstaticWindows.Win32.UI.WindowsAndMessaging.PEEK_MESSAGE_REMOVE_TYPE; usingstaticWindows.Win32.UI.WindowsAndMessaging.WND class_ styleS; usingstaticWindows.Win32.UI.WindowsAndMessaging.WINDOW_ style; usingstaticWindows.Win32.UI.WindowsAndMessaging.WINDOW_EX_ style; usingstaticWindows.Win32.UI.WindowsAndMessaging.SYSTEM_METRICS_INDEX; usingstaticWindows.Win32.UI.WindowsAndMessaging.SHOW_WINDOW_CMD; usingVortice.DCommon; usingVortice.Mathematics; usingAlphaMode=Vortice.DXGI.AlphaMode; usingSystem.Diagnostics; unsafe { SizeIclientSize=newSizeI(1000,1000); // 窗口标题 vartitle="lindexi D2D AOT"; varwindow className=title; WINDOW_ style style=WS_CAPTION|WS_SYSMENU|WS_MINIMIZEBOX|WS_CLIPSIBLINGS|WS_BORDER|WS_DLGFRAME|WS_THICKFRAME|WS_GROUP|WS_TABSTOP|WS_SIZEBOX; varrect=newRECT { right=clientSize.Width, bottom=clientSize.Height }; AdjustWindowRectEx(&rect, style,false,WS_EX_APPWINDOW); intx=0; inty=0; intwindowWidth=rect.right-rect.left; intwindowHeight=rect.bottom-rect.top; // 随便，放在屏幕中间好了。多个显示器？忽略 intscreenWidth=GetSystemMetrics(SM_CXSCREEN); intscreenHeight=GetSystemMetrics(SM_CYSCREEN); x=(screenWidth-windowWidth)/2; y=(screenHeight-windowHeight)/2; varhInstance=GetModuleHandle((string)null); fixed(char*lpsz className=window className) { PCWSTRszCursorName=new((char*)IDC_ARROW); varwnd classEx=newWND classEXW { cbSize=(uint)Unsafe.SizeOf<WND classEXW>(), style=CS_HREDRAW|CS_VREDRAW|CS_OWNDC, // 核心逻辑，设置消息循环 lpfnWndProc=newWNDPROC(WndProc), hInstance=(HINSTANCE)hInstance.DangerousGetHandle(), hCursor=LoadCursor((HINSTANCE)IntPtr.Zero,szCursorName), hbrBackground=(Windows.Win32.Graphics.Gdi.HBRUSH)IntPtr.Zero, hIcon=(HICON)IntPtr.Zero, lpsz className=lpsz className }; ushortatom=Register classEx(wnd classEx); if(atom==0) { thrownewInvalidOperationException($"Failed to register window class. Error: {Marshal.GetLastWin32Error()}"); } } // 创建窗口 varhWnd=CreateWindowEx ( WS_EX_APPWINDOW, window className, title, style, x, y, windowWidth, windowHeight, hWndParent:default, hMenu:default, hInstance:default, lpParam:null ); // 创建完成，那就显示 ShowWindow(hWnd,SW_NORMAL); CreateD2D(); // 开个消息循环等待 Windows.Win32.UI.WindowsAndMessaging.MSGmsg; while(true) { if(GetMessage(outmsg,hWnd,0,0)!=false) { _=TranslateMessage(&msg); _=DispatchMessage(&msg); if(msg.messageisWM_QUITorWM_CLOSEor0) { return; } } } voidCreateD2D() { RECTwindowRect; GetClientRect(hWnd,&windowRect); clientSize=newSizeI(windowRect.right-windowRect.left,windowRect.bottom-windowRect.top); // 开始创建工厂创建 D3D 的逻辑 vardxgiFactory2=DXGI.DXGI.CreateDXGIFactory1<DXGI.IDXGIFactory2>(); varhardwareAdapter=GetHardwareAdapter(dxgiFactory2) // 这里 ToList 只是想列出所有的 IDXGIAdapter1 方便调试而已。在实际代码里，大部分都是获取第一个 .ToList().FirstOrDefault(); if(hardwareAdapter==null) { thrownewInvalidOperationException("Cannot detect D3D11 adapter"); } // 功能等级 // [C# 从零开始写 SharpDx 应用聊聊功能等级](https://blog.lindexi.com/post/C-%E4%BB%8E%E9%9B%B6%E5%BC%80%E5%A7%8B%E5%86%99-SharpDx-%E5%BA%94%E7%94%A8-%E8%81%8A%E8%81%8A%E5%8A%9F%E8%83%BD%E7%AD%89%E7%BA%A7.html) D3D.FeatureLevel[]featureLevels=new[] { D3D.FeatureLevel.Level_11_1, D3D.FeatureLevel.Level_11_0, D3D.FeatureLevel.Level_10_1, D3D.FeatureLevel.Level_10_0, D3D.FeatureLevel.Level_9_3, D3D.FeatureLevel.Level_9_2, D3D.FeatureLevel.Level_9_1, }; DXGI.IDXGIAdapter1adapter=hardwareAdapter; D3D11.DeviceCreationFlagscreationFlags=D3D11.DeviceCreationFlags.BgraSupport; varresult=D3D11.D3D11.D3D11CreateDevice ( adapter, D3D.DriverType.Unknown, creationFlags, featureLevels, outD3D11.ID3D11Deviced3D11Device,outD3D.FeatureLevelfeatureLevel, outD3D11.ID3D11DeviceContextd3D11DeviceContext ); if(result.Failure) { // 如果失败了，那就不指定显卡，走 WARP 的方式 // http://go.microsoft.com/fwlink/?LinkId=286690 result=D3D11.D3D11.D3D11CreateDevice( IntPtr.Zero, D3D.DriverType.Warp, creationFlags, featureLevels, outd3D11Device,outfeatureLevel,outd3D11DeviceContext); // 如果失败，就不能继续 result.CheckError(); } // 大部分情况下，用的是 ID3D11Device1 和 ID3D11DeviceContext1 类型 // 从 ID3D11Device 转换为 ID3D11Device1 类型 vard3D11Device1=d3D11Device.QueryInterface<D3D11.ID3D11Device1>(); vard3D11DeviceContext1=d3D11DeviceContext.QueryInterface<D3D11.ID3D11DeviceContext1>(); // 转换完成，可以减少对 ID3D11Device1 的引用计数 // 调用 Dispose 不会释放掉刚才申请的 D3D 资源，只是减少引用计数 d3D11Device.Dispose(); d3D11DeviceContext.Dispose(); // 创建设备，接下来就是关联窗口和交换链 DXGI.FormatcolorFormat=DXGI.Format.B8G8R8A8_UNorm; constintFrameCount=2; DXGI.SwapChainDescription1swapChainDescription=new() { Width=clientSize.Width, Height=clientSize.Height, Format=colorFormat, BufferCount=FrameCount, BufferUsage=DXGI.Usage.RenderTargetOutput, SampleDescription=DXGI.SampleDescription.Default, Scaling=DXGI.Scaling.Stretch, SwapEffect=DXGI.SwapEffect.FlipDiscard, AlphaMode=AlphaMode.Ignore, }; // 设置是否全屏 DXGI.SwapChainFullscreenDescriptionfullscreenDescription=newDXGI.SwapChainFullscreenDescription { Windowed=true }; // 给创建出来的窗口挂上交换链 DXGI.IDXGISwapChain1swapChain= dxgiFactory2.CreateSwapChainForHwnd(d3D11Device1,hWnd,swapChainDescription,fullscreenDescription); // 不要被按下 alt+enter 进入全屏 dxgiFactory2.MakeWindowAssociation(hWnd,DXGI.WindowAssociationFlags.IgnoreAltEnter); D3D11.ID3D11Texture2DbackBufferTexture=swapChain.GetBuffer<D3D11.ID3D11Texture2D>(0); // 获取到 dxgi 的平面，这个平面就约等于窗口渲染内容 DXGI.IDXGISurfacedxgiSurface=backBufferTexture.QueryInterface<DXGI.IDXGISurface>(); // 对接 D2D 需要创建工厂 D2D.ID2D1Factory1d2DFactory=D2D.D2D1.D2D1CreateFactory<D2D.ID2D1Factory1>(); // 方法1： //var renderTargetProperties = new D2D.RenderTargetProperties(PixelFormat.Premultiplied); //// 在窗口的 dxgi 的平面上创建 D2D 的画布，如此即可让 D2D 绘制到窗口上 //D2D.ID2D1RenderTarget d2D1RenderTarget = // d2DFactory.CreateDxgiSurfaceRenderTarget(dxgiSurface, renderTargetProperties); //var renderTarget = d2D1RenderTarget; // 方法2： // 创建 D2D 设备，通过设置 ID2D1DeviceContext 的 Target 输出为 dxgiSurface 从而让 ID2D1DeviceContext 渲染内容渲染到窗口上 // 如 https://learn.microsoft.com/en-us/windows/win32/direct2d/images/devicecontextdiagram.png 图 // 获取 DXGI 设备，用来创建 D2D 设备 DXGI.IDXGIDevicedxgiDevice=d3D11Device1.QueryInterface<DXGI.IDXGIDevice>(); D2D.ID2D1Deviced2dDevice=d2DFactory.CreateDevice(dxgiDevice); D2D.ID2D1DeviceContextd2dDeviceContext=d2dDevice.CreateDeviceContext(); D2D.ID2D1Bitmap1d2dBitmap=d2dDeviceContext.CreateBitmapFromDxgiSurface(dxgiSurface); d2dDeviceContext.Target=d2dBitmap; varrenderTarget=d2dDeviceContext; // 开启后台渲染线程，无限刷新 varstopwatch=Stopwatch.StartNew(); varcount=0; Task.Factory.StartNew(()=> { varellipseInfoList=newList<DrawingInfo>(); for(inti=0;i<100;i++) { // 随意创建颜色 varcolor=newColor4((byte)Random.Shared.Next(255),(byte)Random.Shared.Next(255),(byte)Random.Shared.Next(255)); D2D.ID2D1SolidColorBrushbrush=renderTarget.CreateSolidColorBrush(color); ellipseInfoList.Add(newDrawingInfo(newSystem.Numerics.Vector2(Random.Shared.Next(clientSize.Width),Random.Shared.Next(clientSize.Height)),newSize(Random.Shared.Next(10,100)),brush)); } while(true) { // 开始绘制逻辑 renderTarget.BeginDraw(); // 清空画布 renderTarget.Clear(newColor4(0xFF,0xFF,0xFF)); // 在下面绘制漂亮的界面 for(vari=0;i<ellipseInfoList.Count;i++) { vardrawingInfo=ellipseInfoList[i]; varvector2=drawingInfo.Offset; vector2.X+=Random.Shared.Next(200)-100; vector2.Y+=Random.Shared.Next(200)-100; while(vector2.X<100||vector2.X>clientSize.Width-100) { vector2.X=Random.Shared.Next(clientSize.Width); } while(vector2.Y<100||vector2.Y>clientSize.Height-100) { vector2.Y=Random.Shared.Next(clientSize.Height); } ellipseInfoList[i]=drawingInfowith{Offset=vector2}; renderTarget.FillEllipse(newD2D.Ellipse(vector2,drawingInfo.Size.Width,drawingInfo.Size.Height),drawingInfo.Brush); } renderTarget.EndDraw(); swapChain.Present(1,DXGI.PresentFlags.None); // 等待刷新 d3D11DeviceContext1.Flush(); // 统计刷新率 count++; if(stopwatch.Elapsed>=TimeSpan.FromSeconds(1)) { Console.WriteLine($"FPS: {count/stopwatch.Elapsed.TotalSeconds}"); stopwatch.Restart(); count=0; } } },TaskCreationOptions.LongRunning); } } staticIEnumerable<DXGI.IDXGIAdapter1>GetHardwareAdapter(DXGI.IDXGIFactory2factory) { DXGI.IDXGIFactory6?factory6=factory.QueryInterfaceOrNull<DXGI.IDXGIFactory6>(); if(factory6!=null) { // 先告诉系统，要高性能的显卡 for(intadapterIndex=0; factory6.EnumAdapterByGpuPreference(adapterIndex,DXGI.GpuPreference.HighPerformance, outDXGI.IDXGIAdapter1?adapter).Success; adapterIndex++) { if(adapter==null) { continue; } DXGI.AdapterDescription1desc=adapter.Description1; if((desc.Flags&DXGI.AdapterFlags.Software)!=DXGI.AdapterFlags.None) { // Don't select the Basic Render Driver adapter. adapter.Dispose(); continue; } //factory6.Dispose(); Console.WriteLine($"枚举到 {adapter.Description1.Description} 显卡"); yieldreturnadapter; } factory6.Dispose(); } // 如果枚举不到，那系统返回啥都可以 for(intadapterIndex=0; factory.EnumAdapters1(adapterIndex,outDXGI.IDXGIAdapter1?adapter).Success; adapterIndex++) { DXGI.AdapterDescription1desc=adapter.Description1; if((desc.Flags&DXGI.AdapterFlags.Software)!=DXGI.AdapterFlags.None) { // Don't select the Basic Render Driver adapter. adapter.Dispose(); continue; } Console.WriteLine($"枚举到 {adapter.Description1.Description} 显卡"); yieldreturnadapter; } } staticLRESULTWndProc(HWNDhWnd,uintmessage,WPARAMwParam,LPARAMlParam) { returnDefWindowProc(hWnd,message,wParam,lParam); } readonlyrecordstructDrawingInfo(System.Numerics.Vector2Offset,SizeSize,D2D.ID2D1SolidColorBrushBrush);