DLL側

mydll.h

extern "C" {
	__declspec(dllexport) int add(int a, int b);
	__declspec(dllexport) int* arr_a(int length);
	__declspec(dllexport) void arr_b(int* arr, int length);
}

__declspec(dllexport) はDLLで公開したい関数に必要。
extern "C" は、C++の仕様で関数名が変わってしまうのを防ぐ。

mydll.cpp

#include "mydll.h"

int add(int a, int b) {
	return a + b;
}


int* arr_a(int length) {
	int* arr = new int[length];

	for (int i = 0; i < length; i++) {
		arr[i] = i;
	}

	return arr;
}


void arr_b(int* arr, int length) {
	for (int i = 0; i < length; i++) {
		arr[i] = i;
	}
}

なんてことのない、普通のプログラム。

C#側

Program.cs

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

// DllImportに必要
using System.Runtime.InteropServices;

namespace UseMyDLL
{
	class Program
	{
		[DllImport("MyDLL.dll", CallingConvention = CallingConvention.Cdecl)]
		private extern static int add(int a, int b);

		// ポインタはC#側ではIntPtrに
		[DllImport("MyDLL.dll", CallingConvention = CallingConvention.Cdecl)]
		private extern static IntPtr arr_a(int length);

		[DllImport("MyDLL.dll", CallingConvention = CallingConvention.Cdecl)]
		private extern static void arr_b(IntPtr arr, int length);

		static void Main(string[] args)
		{
			callAdd();
			callArr_a();
			callArr_b();
		}

		// 戻り値がintの場合
		private static void callAdd()
		{
			int addResult = add(1, 2);

			Console.WriteLine("== add ==");
			Console.WriteLine(addResult + "\n");
		}

		// 戻り値がポインタの場合
		private static void callArr_a()
		{
			const int NUM = 5;
			int[] arr = new int[NUM];

			// 戻り値のポインタをIntPtrで受け取る
			IntPtr ptr = arr_a(NUM);

			// マネージ配列へコピー
			Marshal.Copy(ptr, arr, 0, NUM);

			// これでメモリが解放される？
			// (追記)さすがに駄目でした
			//Marshal.FreeCoTaskMem(ptr);

			Console.WriteLine("== arr_a ==");
			foreach(int n in arr)
			{
				Console.Write(n + " ");
			}
			Console.WriteLine("\n");
		}

		// 引数がポインタの場合
		private static void callArr_b()
		{
			const int NUM = 5;
			int[] arr = new int[NUM];

			// アンマネージ配列のメモリを確保
			IntPtr ptr = Marshal.AllocCoTaskMem(Marshal.SizeOf(typeof(int)) * NUM);

			// 引数でポインタを渡す
			arr_b(ptr, NUM);

			// マネージ配列へコピー
			Marshal.Copy(ptr, arr, 0, NUM);

			// アンマネージ配列のメモリを解放
			Marshal.FreeCoTaskMem(ptr);

			Console.WriteLine("== arr_b ==");
			foreach (int n in arr)
			{
				Console.Write(n + " ");
			}
			Console.WriteLine("\n");
		}
	}
}

実行結果

== add ==
3

== arr_a ==
0 1 2 3 4

== arr_b ==
0 1 2 3 4

うまく動いていそう