WinUI 3 WinRT C++ 开发完整教程 - 第一部分：基础概念与架构

概述

WinUI 3 是微软最新的原生 Windows 应用程序 UI 框架，它结合了 WinRT（Windows Runtime）的强大功能和 C++ 的高性能。本教程将从底层原理开始，详细讲解如何使用 C++/WinRT 开发现代化的 Windows 应用程序。

为什么选择 WinUI 3 + C++/WinRT？

原生性能：C++ 提供最佳的运行时性能和内存控制
现代化 UI：WinUI 3 提供 Fluent Design 系统和现代化控件
跨版本支持：支持 Windows 10 1809+ 和 Windows 11
与系统深度集成：可以访问所有 Windows API 和功能

WinRT 基础概念

什么是 WinRT？

Windows Runtime (WinRT) 是微软设计的应用程序架构，它提供了：

语言无关的组件模型：基于 COM 但简化了接口
元数据驱动：使用 .winmd 文件描述类型信息
投影技术：为不同语言提供自然的编程模型

WinRT 的核心概念

1. 接口定义语言 (IDL)

WinRT 使用 IDL 文件定义运行时类和接口。在我们的项目中可以看到：

idl

// MainWindow.idl
namespace WinUI3App1C__
{
    [default_interface]
    runtimeclass MainWindow : Microsoft.UI.Xaml.Window
    {
        MainWindow();
        Windows.Foundation.Collections.IObservableVector<String> collection{ get; };
    }
}

深度解析：

runtimeclass 关键字定义一个可被其他语言使用的运行时类
[default_interface] 特性指定这是默认接口
继承自 Microsoft.UI.Xaml.Window 提供窗口基础功能
collection{ get; } 定义一个只读属性

2. ABI (Application Binary Interface)

WinRT 的 ABI 基于 COM 接口，但进行了现代化改进：

cpp

// 生成的 ABI 代码示例（简化版）
struct __declspec(uuid("...")) IMainWindow : ::IInspectable
{
    virtual HRESULT __stdcall get_collection(
        void** value) = 0;
};

关键点：

所有 WinRT 接口都继承自 IInspectable
使用标准 COM 调用约定 (__stdcall)
自动处理引用计数和错误处理

3. 投影层 (Projection Layer)

C++/WinRT 投影层将底层 ABI 转换为现代 C++ 代码：

cpp

// 从项目代码中看到的投影示例
namespace winrt::WinUI3App1C__::implementation
{
    struct MainWindow : MainWindowT<MainWindow>
    {
        winrt::Windows::Foundation::Collections::IObservableVector<hstring> collection();
    };
}

C++/WinRT 语言投影

投影架构

C++/WinRT 使用多层架构：

用户代码 (MainWindow.xaml.cpp)
     ↓
投影层 (MainWindow.g.h)
     ↓
ABI 层 (Generated ABI code)
     ↓
WinRT 运行时

代码生成过程

IDL 编译：midl.exe 将 IDL 文件编译为 .winmd 文件
投影生成：cppwinrt.exe 读取 .winmd 生成 C++ 头文件
实现模板：生成 .g.h 和 .g.cpp 文件作为实现基础

类型映射

WinRT 类型与 C++ 类型的映射：

WinRT 类型	C++ 类型	说明
`String`	`winrt::hstring`	不可变字符串
`IObservableVector<T>`	`winrt::Windows::Foundation::Collections::IObservableVector<T>`	可观察集合
`Object`	`winrt::Windows::Foundation::IInspectable`	基础对象类型

智能指针和生命周期管理

C++/WinRT 使用智能指针自动管理对象生命周期：

cpp

// 从项目代码中的示例
winrt::Windows::Foundation::Collections::IObservableVector<hstring> sourceArray{
    winrt::single_threaded_observable_vector<hstring>()
};

关键特性：

自动引用计数
RAII (Resource Acquisition Is Initialization) 原则
异常安全

WinUI 3 架构深度解析

分层架构

应用层 (XAML + C++)
    ↓
WinUI 3 控件层
    ↓
Win32/WinRT 系统层
    ↓
Windows 内核

XAML 与 C++ 的绑定机制

1. 代码绑定（Direct Binding）

cpp

// 从 MainWindow.xaml.cpp 中的示例
sourceList().ItemsSource(sourceArray);

这种方式直接在 C++ 代码中设置控件属性，优点是：

性能最佳
编译时类型检查
调试友好

2. 数据绑定（Data Binding）

cpp

// IDL 中定义的属性
Windows.Foundation.Collections.IObservableVector<String> collection{ get; };

// C++ 实现
winrt::Windows::Foundation::Collections::IObservableVector<hstring> MainWindow::collection()
{
    return boundArray;
}

深层原理：

XAML 编译器生成绑定表达式
运行时通过反射访问属性
支持双向绑定和变更通知

绑定的更多内容会在入门中讲解jump-link

事件处理机制

cpp

void MainWindow::addManualListButton_Click(
    winrt::Windows::Foundation::IInspectable const& sender,
    winrt::Microsoft::UI::Xaml::RoutedEventArgs const& e)
{
    // 事件处理逻辑
}

事件处理流程：

XAML 解析器注册事件处理器
用户交互触发事件
WinUI 3 框架调用 C++ 处理函数
通过投影层传递参数

项目结构与文件组织

核心文件类型

1. IDL 文件 (.idl)

定义 WinRT 类型和接口：

idl

namespace WinUI3App1C__
{
    [default_interface]
    runtimeclass MainWindow : Microsoft.UI.Xaml.Window
    {
        MainWindow();
        Windows.Foundation.Collections.IObservableVector<String> collection{ get; };
    }
}

2. XAML 文件 (.xaml)

定义用户界面：

xml

<Page x:Class="WinUI3App1C__.SettingsPage">
    <Grid>
        <!-- UI 元素 -->
    </Grid>
</Page>

3. 头文件 (.h)

cpp

#pragma once
#include "MainWindow.g.h"

namespace winrt::WinUI3App1C__::implementation
{
    struct MainWindow : MainWindowT<MainWindow>
    {
        MainWindow();
        winrt::Windows::Foundation::Collections::IObservableVector<hstring> collection();
        // 其他成员...
    };
}

4. 实现文件 (.cpp)

cpp

#include "pch.h"
#include "MainWindow.xaml.h"
#if __has_include("MainWindow.g.cpp")
#include "MainWindow.g.cpp"
#endif

namespace winrt::WinUI3App1C__::implementation
{
    MainWindow::MainWindow()
    {
        InitializeComponent();
        // 初始化逻辑...
    }
}

预编译头文件 (pch.h)

cpp

#pragma once
#include <windows.h>
#include <unknwn.h>
#include <restrictederrorinfo.h>
#include <hstring.h>

#undef GetCurrentTime
#define _VSDESIGNER_DONT_LOAD_AS_DLL

#include <winrt/Windows.Foundation.h>
#include <winrt/Windows.Foundation.Collections.h>
// ... 其他 WinRT 头文件

作用：

加速编译过程
提供所有必要的 WinRT 类型定义
解决宏冲突问题

编译系统与代码生成

编译流程

预处理：处理预编译头文件
IDL 编译：生成元数据和类型信息
XAML 编译：生成 XAML 相关的 C++ 代码
C++ 编译：编译用户代码和生成代码
链接：生成最终可执行文件

生成的文件结构

Generated Files/
├── winrt/
│   ├── WinUI3App1C__.h           # 投影头文件
│   ├── impl/
│   │   └── WinUI3App1C__.2.h     # 实现模板
│   └── ...
├── MainWindow.g.h                # XAML 代码背后文件
├── MainWindow.g.cpp              # XAML 实现文件
└── ...

代码生成原理

1. XAML 编译器生成

XAML 编译器分析 XAML 文件并生成：

控件实例化代码
事件绑定代码
资源查找代码

2. IDL 投影生成

基于 IDL 文件，cppwinrt.exe 生成：

ABI 接口定义
投影类型
工厂实现

C++17 兼容性

项目默认使用 C++17 标准，这意味着：

支持 auto 类型推导
支持泛型 lambda
支持 constexpr 函数
若你需要自定义，需要自己选择项目调整属性设置，如图

在代码中的体现：

cpp

// C++17 兼容的写法
auto sourceArray = winrt::single_threaded_observable_vector<hstring>();

// 使用 auto 简化类型声明
for (auto&& item : collection()) {
    // 处理每个项目
}

总结

本部分介绍了 WinUI 3 WinRT C++ 开发的基础概念：

WinRT 提供了语言无关的组件模型
C++/WinRT 通过投影技术提供现代 C++ 接口
WinUI 3 在此基础上构建现代化 UI 框架
项目结构 清晰分离了接口定义、实现和 UI

下一部分将深入讲解具体的开发实践和高级特性。

这是 WinUI 3 WinRT C++ 完整教程的第一部分。接下来的部分将涵盖具体的开发实践、数据绑定、导航、异步编程等主题。

WinUI 3 WinRT C++ 开发完整教程 - 第一部分：基础概念与架构 ​

概述 ​

为什么选择 WinUI 3 + C++/WinRT？ ​

WinRT 基础概念 ​

什么是 WinRT？ ​

WinRT 的核心概念 ​

1. 接口定义语言 (IDL) ​

2. ABI (Application Binary Interface) ​

3. 投影层 (Projection Layer) ​

C++/WinRT 语言投影 ​

投影架构 ​

代码生成过程 ​

类型映射 ​

智能指针和生命周期管理 ​

WinUI 3 架构深度解析 ​

分层架构 ​

XAML 与 C++ 的绑定机制 ​

1. 代码绑定（Direct Binding） ​

2. 数据绑定（Data Binding） ​

事件处理机制 ​

项目结构与文件组织 ​

核心文件类型 ​

1. IDL 文件 (.idl) ​

2. XAML 文件 (.xaml) ​

3. 头文件 (.h) ​

4. 实现文件 (.cpp) ​

预编译头文件 (pch.h) ​

编译系统与代码生成 ​

编译流程 ​

生成的文件结构 ​

代码生成原理 ​

1. XAML 编译器生成 ​

2. IDL 投影生成 ​

C++17 兼容性 ​

总结 ​