MRuby in C# - 因 RPG Maker 的慘劇(二)

前一篇文章討論了關於 C# 執行一段 Ruby 程式碼並且取得執行結果(字串)的做法。
不過,光是這樣在 C# 使用 MRuby 的意義並不大,我們需要結合 Ruby 的 DSL 特性,讓自製的 RPG Maker 可以更加簡單的被用於製作遊戲(最終目的)

也因此,我們需要能夠讓 C# 中的一些 API 可以在 Ruby 中被呼叫以及使用。
那麼,能夠從 C# 定義 Ruby 的 Module / Class 和 Method 就非常的重要,因為如果無法這樣做,那麼就無法讓 Ruby 執行 C# 的程式碼。

Mono v.s. Qt

在開始之前,先來談談一個被我遺忘的跨平台工具 Qt。要說的話,其實 Qt 看起來會比 Mono 有更好的相容性在 MRuby 上(使用 C++ 就不會有 C# 的 P/Invoke 和 Marshal 要複製一份記憶體資料的問題)

於是我就去安裝了一下 Qt5 來測試,不過很不幸的是預設的範例專案有不少問題,讓我花了一個多小時才勉強啟動,體驗比我在去年使用的時候更差,讓我難以想像之後的開發是否會順利。

  • 問題大致上有 SDK 版本設定還停留在 10.8 沒有跟進 10.9 需要自行修改設定(卻沒有編輯器選項可以用)
  • 有偵測到 Debugger 卻沒辦法讓 Mac / iOS 的預設運行設定使用(造成要 Debug 卻開不起來)
  • 手動設定好 Deubgger 後卻開啟非常久,超過人類可忍耐的時間⋯⋯
  • 預設的 .pro 設定檔在範例是空的,連需要的 Qt Library 都沒有預先寫好要讀取,造成編譯失敗
  • 預設的 UI 編輯界面的 Header 檔案沒有自動產生,造成第一次使用無法順利編譯

大致上碰到的問題就是上述這些,但是足以消磨一個人使用的耐心。雖然是社群維護的專案,不過有一些細節還是不太足夠(雖我也覺得 Mono 的編譯設定可改項目太少,但至少我可以順利使用⋯⋯)

就目前情況來說,我會以 Mono 為主要的開發工具,至少目前使用起來還算穩定並且也沒有太多的問題。

實作 Define Module

在 Ruby 中除了直接定義方法之外,也可以將方法附加在 Module 或者 Class 上,這篇文章會介紹 Module 的做法,而 Class 基本上做法類似,之後有機會再做討論。

Module.cs
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using System;
using System.Runtime.InteropServices;
namespace MRuby
{
truepublic class Module
true{
truetrueprivate IntPtr state;
truetrueprivate IntPtr klass;
truetrue[DllImport(Program.LIBMRUBY, EntryPoint="mrb_define_module")] static extern IntPtr MrbDefineModule(IntPtr state, string name);
truetruepublic Module (IntPtr state, string name)
truetrue{
truetruetruethis.state = state;
truetruetrueklass = MrbDefineModule(state, name);
truetrue}
true}
}

在 MRuby 中,要定義一個 Module 的方法會需要該 Module 的指標,以及整個 MRuby 的 State 指標,如果是分散的方式撰寫,會變得方長不方便,所以就包裝成一個 Class 來簡化這個過程。

基本上,只要完成這個步驟,就可以得到一個能在 Ruby 中使用的 Module 了!

有很趣的地方在於 Ruby 中是不允許非英文字母、數字的 Module/Class 名稱,但是用 mrb_define_module 的時候,卻可以順利定義,但是為了避免錯誤,還是盡可能不要用這個做法會比較好。

實作 Define Method

在實作 Define Method 之前,我們需要先做好一個叫做 Aspec 的資料結構。
這個資料的用途在於指定 Method 的參數數量,雖然在 Ruby 可以接受不固定數量的參數,而在 C# 實作的時候這個設定值也不會影響到實作(主要是因為我們只有 MrbValue 一種型別的實作,沒辦法直接在定義方法的時候指定接受的參數,因此不會受到影響。)

這部分還在驗證,不過目前推測是因為取出參數的做法關係造成的。

Args.cs
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using System;
using System.Runtime.InteropServices;
namespace MRuby
{
true[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
truepublic struct Args
true{
truetruepublic Args(UInt32 value)
truetrue{
truetruetruethis.value = value;
truetrue}
truetruepublic UInt32 value;
truetruepublic static Args NONE() {
truetruetruereturn new Args(0);
truetrue}
truetruepublic static Args ANY() {
truetruetruereturn new Args (1 << 12);
truetrue}
truetruepublic static Args REQ(uint n) {
truetruetruereturn new Args ( ((n) & 0x1f) << 18 );
truetrue}
truetruepublic static Args OPT(uint n) {
truetruetruereturn new Args ( ((n) & 0x1f) << 13 );
truetrue}
truetruepublic static Args ARGS(uint req, uint opt)
truetrue{
truetruetruereturn Args.REQ (req) | Args.OPT (opt);
truetrue}
truetruepublic static Args BLOCK()
truetrue{
truetruetruereturn new Args (1);
truetrue}
truetruepublic static Args operator |(Args args1, Args args2)
truetrue{
truetruetruereturn new Args (args1.value | args2.value);
truetrue}
true}
}

上述的結構是參照 MRuby 中的 Marco(巨集)所改寫成的,效果跟巨集執行後是相同的,只是讓它可以用 C# 的形式呈現。
(在 MRuby 中有不少操作是用 Marco 所做的,像是空的 MrbValue 生成,這時候就必須靠我們自己擴充 Shared Library 來讓 C# 能夠獲取相同的數值,這也會是之後開發的重要課題。)

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using System;
using System.Runtime.InteropServices;
namespace MRuby
{
truepublic class Module
true{
truetrueprivate IntPtr state;
truetrueprivate IntPtr klass;
public delegate MrbValue Func(IntPtr state, MrbValue instance);
truetrue[DllImport(Program.LIBMRUBY, EntryPoint="mrb_define_module")] static extern IntPtr MrbDefineModule(IntPtr state, string name);
truetruepublic Module (IntPtr state, string name)
truetrue{
truetruetruethis.state = state;
truetruetrueklass = MrbDefineModule(state, name);
truetrue}
[DllImport(Program.LIBMRUBY, EntryPoint="mrb_define_module_function")] static extern void MrbDefineMethod(IntPtr state, IntPtr klass, string name, Func func, Args aspec);
truetruepublic void DefineMethod(string name, Func receiver, Args aspec)
truetrue{
truetruetrueMrbDefineMethod (state, klass, name, receiver, aspec);
truetrue}
true}
}

在 MRuby 中,會使用 Function Pointer 的方式儲存方法,若要在 C# 中實做一個 Function Pointer 可以利用 delegate 來實做,要說的話概念上是類似的東西。
(參考資料:http://www.cnblogs.com/oomusou/archive/2007/05/02/734290.html

使用 delegate 功能需要指定方法的傳回值、接收的參數。不過在 MRuby 中都是固定傳回 MrbValue 並且把 MrbState 以及代表該物件實體的 MrbValue 存取進來。(到這邊應該很習慣了,不管是什麼數值都可以用 MrbValue 儲存)

MRuby 的方法呼叫

到此,我們可以定義 MRuby 的方法,那麼前面提到在 C# 中只能存取 MrbValue 的問題又是為什麼呢?

這就要談起 MRuby 的 mrb_get_args (https://Github.com/mRuby/mruby/blob/master/src/class.c#L441) 這個方法,可以透過傳入 MrbState 以及 Format(參數格式)來存取資料。

從原始碼的定義來看,會發現它是一個接受「不定長度參數」的方法。

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mrb_get_args(mrb_state *mrb, const char *format, ...)

也就是說,用法類似於 mrb_get_args(state, "ii", &intValue1, &intValue2) 這樣子。

在 C# 中,要實作不定長度的參數,除了可以用 params 關鍵字,但是卻只能接受「單一型別」的陣列,不過從原始碼中的 Format Table 來看,情況似乎不是這麼簡單。

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/*
retrieve arguments from mrb_state.
mrb_get_args(mrb, format, ...)
returns number of arguments parsed.
format specifiers:
string mRuby type C type note
----------------------------------------------------------------------------------------------
o: Object [mrb_value]
C: class/module [mrb_value]
S: String [mrb_value]
A: Array [mrb_value]
H: Hash [mrb_value]
s: String [char*,mrb_int] Receive two arguments.
z: String [char*] NUL terminated string.
a: Array [mrb_value*,mrb_int] Receive two arguments.
f: Float [mrb_float]
i: Integer [mrb_int]
b: Boolean [mrb_bool]
n: Symbol [mrb_sym]
d: Data [void*,mrb_data_type const] 2nd argument will be used to check data type so it won't be modified
&: Block [mrb_value]
*: rest argument [mrb_value*,mrb_int] Receive the rest of the arguments as an array.
|: optional Next argument of '|' and later are optional.
?: optional given [mrb_bool] true if preceding argument (optional) is given.
*/

如果指定的是 i 那麼拿到的會是一個 mrb_int 的型別,而且對我們的 C# 來說是一個未知型別。而使用 params 參數的話,這也會讓我們無法正確的接收數值。

不過,在 C# 提供了一個叫做 __arglist 的做法,也很幸運的這個方法就如同 C 語言的 ... 用法,不過在 Mono 中,因為實作困難並沒有被完整、正確的支援。

也就是做,我們需要用一點小技巧來存取 MRuby 的參數。
(這個方法是從 go-mRuby 所學的,就是單純的用 *& 這個 Format 來讀取參數,並且自行處理需要的部分。)

實作 GetArgs Helper

因為目前只有 Module Class 會用到,所以就直接在 Module Class 裏面實作,實際上應該放在外面會更好些。

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using System;
using System.Runtime.InteropServices;
namespace MRuby
{
truepublic class Module
true{
truetrue// 略
[DllImport(RubyContext.LIBMRUBY, EntryPoint="mrb_get_args")] static extern void MrbGetArguments(IntPtr state, string format, out IntPtr argv, out int argc, out MrbValue block);
truetruepublic static Value[] GetArgs(IntPtr state, bool withBlock = false)
truetrue{
truetruetrueValue[] values;
truetruetrueIntPtr argvPointer;
truetruetrueMrbValue value;
truetruetrueint i, argc, size;
truetruetrueMrbValue block;
truetruetrueMrbGetArguments (state, "*&", out argvPointer, out argc, out block);
truetruetrueint valueCount = argc;
truetruetrueif(withBlock) { valueCount++; }
truetruetruevalues = new Value[valueCount]; // Include Block
truetruetruesize = Marshal.SizeOf (typeof(MrbValue));
truetruetruefor (i = 0; i < argc; i++) {
truetruetruetruevalue = (MrbValue) Marshal.PtrToStructure (argvPointer + (i * size), typeof(MrbValue));
truetruetruetruevalues [i] = new Value (state, value);
truetruetrue}
truetruetrueif (withBlock) {
truetruetruetruevalues [argc] = new Value (state, block);
truetruetrue}
truetruetruereturn values;
truetrue}
true}
}

如此一來,就可以非常確定要使用的參數數目,並且可以正常的存取。

比較特別一點的就是 Ruby 的 Code Block 特性,所以會使用 & 來把這個 Blog 一起存出來,但是是否要使用又是另外一回事。

其中在存取的時候,會看到 out 這個修飾詞,基本上跟 paramsref 是經常被放在一起討論了。
在 C 語言中,其實就很單純的是 &value 這樣的做法(主要是在 C# 因為在非 Unsafe 模式是不允許這種記憶體操作,所以用這個方式代替。)

outref 的差別在於,使用 out 不需要初始化變數,他會在被使用的時候自動處理。但是 ref 就不同了,他需要先用 int value = 1; 的方式做過初始化,才能夠正常使用(不然會發生錯誤)

參數只會給第一個參數的指標,所以需要用迴圈把一整個記憶體區段掃過一遍取出每一個變數。

另一方面,為了讓 MrbValue 可以更簡單的在 C# 中使用,所以我對他做了一些封裝讓他可以自動轉型成 C# 原生的型別。
Value 結構,裡面時做的是 MrbValue 的一些自動轉型)

原始碼如下:

Value.cs
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using System;
using System.Runtime.InteropServices;
namespace OpenTKGame.Ruby
{
true/**
true * MrbValue Wrapper
true *
true * Create Helper to convert MrbValue to C# value types
true */
truepublic struct Value
true{
truetruepublic IntPtr state;
truetruepublic MrbValue value;
truetruepublic Value(IntPtr state, MrbValue value)
truetrue{
truetruetruethis.state = state;
truetruetruethis.value = value;
truetrue}
truetrue[DllImportAttribute(RubyContext.LIBMRUBY, EntryPoint="mrb_obj_as_string")] static extern MrbValue MrbObjectToString(IntPtr state, MrbValue obj);
truetrue[DllImportAttribute(RubyContext.LIBMRUBY, EntryPoint="mrb_string_value_ptr")] static extern IntPtr MrbStringPointer(IntPtr state, MrbValue obj);
truetruepublic override string ToString()
truetrue{
truetruetrueIntPtr stringPtr = IntPtr.Zero;
truetruetrueif (value.type == Type.MRB_STRING) {
truetruetruetruestringPtr = MrbStringPointer (state, value);
truetruetrue} else {
truetruetruetruestringPtr = MrbStringPointer(state, MrbObjectToString(state, value));
truetruetrue}
truetruetruereturn Marshal.PtrToStringAuto (stringPtr);
truetrue}
truetruetrue
truetruestatic public implicit operator string (Value value)
truetrue{
truetruetrueIntPtr stringPtr = IntPtr.Zero;
truetruetrueif (value.value.type == Type.MRB_STRING) {
truetruetruetruestringPtr = MrbStringPointer (value.state, value.value);
truetruetrue} else {
truetruetruetruestringPtr = MrbStringPointer(value.state, MrbObjectToString(value.state, value.value));
truetruetrue}
truetruetruereturn Marshal.PtrToStringAuto (stringPtr);
truetrue}
truetruestatic public implicit operator int(Value value)
truetrue{
truetruetrueif (value.value.type == Type.MRB_FIXNUM) {
truetruetruetruereturn value.value.value.i;
truetruetrue}
truetruetrueif (value.value.type == Type.MRB_FLOAT) {
truetruetruetruereturn (int)value.value.value.f;
truetruetrue}
truetruetruereturn 0;
truetrue}
truetruestatic public implicit operator double(Value value)
truetrue{
truetruetrueif (value.value.type == Type.MRB_FLOAT) {
truetruetruetruereturn value.value.value.f;
truetruetrue}
truetruetrueif (value.value.type == Type.MRB_FIXNUM) {
truetruetruetruereturn (double)value.value.value.i;
truetruetrue}
truetruetruereturn 0f;
truetrue}
truetruestatic public implicit operator bool(Value value)
truetrue{
truetruetrueswitch (value.value.type) {
truetruetruecase Type.MRB_FALSE:
truetruetruecase Type.MRB_EXCEPTION:
truetruetruecase Type.MRB_UNDEF:
truetruetruetruereturn false;
truetruetrue}
truetruetruereturn true;
truetrue}
true}
}

我實作了像是 string 還有 int double bool 等常用型別。
(不過 ToStringstring 似乎只需要其中一個就可以了⋯⋯)

實作自定 Module 和 Method

先實作一個在 Ruby 可以被呼叫的方法。

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public static MrbValue ConsoleWrite(IntPtr state, MrbValue self)
{
trueint i = 0;
trueValue[] values = Module.GetArgs (state, false);
truefor(i = 0; i < values.Length; i++) {
Console.WriteLine ("Receive Params: {0}", values[i].ToString());
true}
truereturn values[0].value; // Simple return first value
}

接著定義模組。

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Value value;
RubyContext context = new Ruby.RubyContext ();
// Define Module and Method
Module module = context.DefineModule ("Example");
module.DefineMethod ("args", ConsoleWrite, Args.ANY());
// Run Ruby code
context.LoadString ("Example.args(1, 'hello', 'world')")

這樣一來,就可以看到剛剛的成果了~

前面忘記提到 context 的 DefineModule 實作,其實就是做了 new Module(state, name) 這件事情而已。


最近已經開學了,而且還在做畢業製作。我想能夠花心思在這個部分上面的時間會越來越少,下一階段我會更加完善這個架構,必且開始正是的專案(我會放在 Githu 上面,初期目標是像 KrKr 那類 AVG 系統一樣單可用)

之後暫定的 Roadmap:

  • rb to mrb 的封裝
  • OpenGL 的實作(Based on OpenTK)
  • 更完整的 MRuby Library for C#
  • 完善專案建構(大概會要把好幾個專案組合才能順利開發完整的系統吧 XD)
  • 簡易的 AVG 功能

這系列文章因為評估 Mono 的搭配過於複雜,因此停止更新、研究

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