深入理解C#指針之美
一、簡潔優(yōu)美的代碼
本來初稿這節(jié)寫了好幾百字，將C#指針開發(fā)與C/C++開發(fā)，Java開發(fā)、D語言開發(fā)等進(jìn)行對比，闡述理念。不過現(xiàn)在覺得，闡述一個新事物，沒有比用例子更直接的了。
例子：打開一張圖像，先將它轉(zhuǎn)化為灰度圖像，再進(jìn)行二值化（變成黑白圖像），然后進(jìn)行染色，將白色的像素變成紅色。以上每一個過程都彈出窗體顯示出來。
代碼截圖更有視覺沖擊力：
二、C# 指針基礎(chǔ)
在C#中使用指針，需要在項(xiàng)目屬性中選中“Allow unsafe code”：
接著，還需要在使用指針的代碼的上下文中使用unsafe關(guān)鍵字，表明這是一段unsafe代碼?？梢杂胾nsafe { } 將代碼圍住，如：
unsafe
{
new ImageArgb32(path).ShowDialog("原始圖像")
.ToGrayscaleImage().ShowDialog("灰度圖像")
.ApplyOtsuThreshold().ShowDialog("二值化圖像")
.ToImageArgb32()
.ForEach((Argb32* p) => { if (p->Red == 255) *p = Argb32.RED; })
.ShowDialog("染色");
}
也可在方法或?qū)傩陨霞尤雞nsafe關(guān)鍵字，如：
private unsafe void btnSubmit_Click(object sender, EventArgs e)
也可在class或struct 上加上unsafe 關(guān)鍵字，如：
public partial unsafe class FrmDemo1 : Form
指針配合fixed關(guān)鍵字可以操作托管堆上的值類型，如：
public unsafe class Person
{
public int Age;
public void SetAge(int age)
{
fixed (int* p = &Age)
{
*p = age;
}
}
}
指針可以操作棧上的值類型，如：
int age = 0;
int* p = &age;
*p = 20;
MessageBox.Show(p->ToString());
指針也可以操作非托管堆上的內(nèi)存，如：
IntPtr handle = System.Runtime.InteropServices.Marshal.AllocHGlobal(4);
Int32* p = (Int32*)handle;
*p = 20;
MessageBox.Show(p->ToString());
System.Runtime.InteropServices.Marshal.FreeHGlobal(handle);
System.Runtime.InteropServices.Marshal.AllocHGlobal 用來從非托管堆上分配內(nèi)存。System.Runtime.InteropServices.Marshal.FreeHGlobal(handle)用來釋放從非托管對上分配的內(nèi)存。這樣我們就可以避開GC，自己管理內(nèi)存了。
三、幾種常用用法
1、使用Dispose模式管理非托管內(nèi)存
如果使用非托管內(nèi)存，建議用Dispose模式來管理內(nèi)存，這樣做有以下好處： 可以手動dispose來釋放內(nèi)存；可以使用using 關(guān)鍵字開管理內(nèi)存；即使不釋放，當(dāng)Dispose對象被GC回收時，也會收回內(nèi)存。
下面是Dispose模式的簡單例子：
public unsafe class UnmanagedMemory : IDisposable
{
public int Count { get; private set; }
private byte* Handle;
private bool _disposed = false;
public UnmanagedMemory(int bytes)
{
Handle = (byte*) System.Runtime.InteropServices.Marshal.AllocHGlobal(bytes);
Count = bytes;
}
public void Dispose()
{
Dispose(true);
GC.SuppressFinalize(true);
}
protected virtual void Dispose( bool isDisposing )
{
if (_disposed) return;
if (isDisposing)
{
if (Handle != null)
{ System.Runtime.InteropServices.Marshal.FreeHGlobal((IntPtr)Handle);
}
}
_disposed = true;
}
~UnmanagedMemory()
{
Dispose( false );
}
}
使用：
using (UnmanagedMemory memory = new UnmanagedMemory(10))
{
int* p = (int*)memory.Handle;
*p = 20;
MessageBox.Show(p->ToString());
}
2、使用 stackalloc 在棧中分配內(nèi)存
C# 提供了stackalloc 關(guān)鍵字可以直接在棧中分配內(nèi)存，一般情況下，使用棧內(nèi)存會比使用堆內(nèi)存速度快，且棧內(nèi)存不用擔(dān)心內(nèi)存泄漏。下面是例子：
int* p = stackalloc int[10];
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
p[i] = 2 * i + 2;
}
MessageBox.Show(p[9].ToString());
3、模擬C中的union（聯(lián)合體）類型
使用 StructLayout 可以模擬C中的union：
[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
public struct Argb32
{
[FieldOffset(0)]
public Byte Blue;
[FieldOffset(1)]
public Byte Green;
[FieldOffset(2)]
public Byte Red;
[FieldOffset(3)]
public Byte Alpha;
[FieldOffset(0)]
public Int32 IntVal;
}
這個和指針無關(guān)，非unsafe環(huán)境下也可使用，有很多用途，比如，序列化和反序列化，求hash值 ……
四、C# 指針操作的幾個缺點(diǎn)
C# 指針操作的缺點(diǎn)也不少。下面一一道來。
缺點(diǎn)1：只能用來操作值類型
.Net中，引用類型的內(nèi)存管理全部是由GC代勞，無法取得其地址，因此，無法用指針來操作引用類型。所以，C#中指針操作受到值類型的限制，其中，最主要的一點(diǎn)就是：值類型無法繼承。
這一點(diǎn)看起來是致命的，其實(shí)不然。首先，需要用到指針來提高性能的地方，其類型是很少變動的。其次，在OO編程中有個名言：組合優(yōu)于繼承。使用組合，我們可以解決很多需要繼承的地方。第三，最后，我們還可以使用引用類型來對值類型打包，進(jìn)行繼承，權(quán)衡兩者的比重來完成任務(wù)。
缺點(diǎn)2：泛型不支持指針類型
C# 中泛型不支持指針類型。這是個很大的限制，在后面的篇幅中，我會引入模板機(jī)制來克服這個問題。同理，迭代器也不支持指針，因此，我們需要自己實(shí)現(xiàn)迭代機(jī)制。
缺點(diǎn)3：沒有函數(shù)指針
幸運(yùn)的是，C# 中有delegate，delegate 支持支持指針類型，lambda 表達(dá)式也支持指針。后面會詳細(xì)講解。
五、引入模板機(jī)制
沒有泛型，但是我們可以模擬出一套類似C++的模板機(jī)制出來，進(jìn)行代碼復(fù)用。這里大量的用到了C#的語法糖和IDE的支持。
先介紹原理：
partial 關(guān)鍵字讓我們可以將一個類的代碼分在多個文件，那么可以這樣分：第一個文件是我們自己寫的代碼，第二個文件用來描述模板，第三個文件，用來根據(jù)模板自動生成代碼。
三個文件這樣取名字的：
XXXClassHelper 是模板定義文件，XXXClassHelper_Csmacro.cs 是自動生成的模板實(shí)現(xiàn)代碼。
ClassHelper文件的例子：
namespace Geb.Image
{
using TPixel = Argb32;
using TCache = System.Int32;
using TKernel = System.Int32;
using TImage = Geb.Image.ImageArgb32;
using TChannel = System.Byte;
public static partial class ImageArgb32ClassHelper
{
#region include "ImageClassHelper_Template.cs"
#endregion
}
public partial class ImageArgb32
{
#region include "Image_Template.cs"
#endregion
#region include "Image_Paramid_Argb_Templete.cs"
#endregion
}
public partial struct Argb32
{
#region include "TPixel_Template.cs"
#endregion
}
}
這里用到了using 語法糖。using 關(guān)鍵字，可以為一個類型取別名。使用 VS 的 #region 來定義所使用的模板文件的位置。上面這個文件中，引用了4個模板文件：ImageClassHelper_Template.cs，Image_Template.cs，Image_Paramid_Argb_Templete.cs 和 TPixel_Template.cs。
只看其中的一個模板文件 Image_Template.cs：
using TPixel = System.Byte;
using TCache = System.Int32;
using TKernel = System.Int32;
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;
namespace Geb.Image.Hidden
{
public abstract class Image_Template : UnmanagedImage<TPixel>
{
private Image_Template()
: base(1,1)
{
throw new NotImplementedException();
}
#region mixin
public unsafe TPixel* Start { get { return (TPixel*)this.StartIntPtr; } }
public unsafe TPixel this[int index]
{
get
{
return Start[index];
}
set
{
Start[index] = value;
}
}
……
#endregion
}
}
這個模板文件是編譯通過的。也使用了 using 關(guān)鍵字來對使用的類型取別名，同時，在代碼中，有一段用 #region mixin 和 #endregion 環(huán)繞的代碼。只需要寫一個工具，將模板文件中 #region mixin 和 #endregion 環(huán)繞的代碼提取出來，替換到模板定義中 #region include "Image_Template.cs" 和 #endregion 之間，生成第三個文件 ClassHelper_Csmacro.cs 即可實(shí)現(xiàn)模板機(jī)制。由于都使用了 using 關(guān)鍵字對類型取別名，因此，ClassHelper_Csmacro.cs 文件也是可以編譯通過的。在不同的模板定義中，令同樣的符號來代表不同的類型，實(shí)現(xiàn)了模板代碼的公用。
上面機(jī)制可以全部自動化。Csmacro 是我寫的一個工具，可以完成上面的過程。將它放在系統(tǒng)路徑下，然后在項(xiàng)目的build event中添加pre-build 指令即可。Csmacro程序在代碼包的lib的目錄下。
如此實(shí)裝，我們就有模板用了！一切自動化，就好像內(nèi)置的一樣。強(qiáng)類型、有編譯器進(jìn)行類型約束，減少出錯的可能。調(diào)試也很容易，就和調(diào)試普通的C#代碼一樣，不存在C++中的模板的難調(diào)試問題。缺點(diǎn)嘛，就是沒有C++中模板的語法優(yōu)美，但是，也看的過去，至少比C中的宏好看多了是吧。
參照上面對模板的實(shí)現(xiàn)，完全可以定義出一套C#的宏出來。沒這樣做，是因?yàn)闆]這個需求。
下面是一個完整的例子，為 Person 類和 Cat 類添加模板擴(kuò)展方法（非擴(kuò)展方法也可類似添加），由于這個方法有指針，無法用泛型實(shí)現(xiàn)：
void SetAge(this T item, int* age)
首先，建一個可編譯通過的模板類 Template.cs：
namespace Introduce.Hide
{
using T = Person;
public static class Template
{
#region mixin
public static unsafe void SetAge(this T item, int* age)
{
item.Age = *age;
}
#endregion
}
}
我在命名空間中加入了 Hide，只要不引用這個命名空間，這個擴(kuò)展方法不會出現(xiàn)對程序產(chǎn)生干擾。
接著，建立 PersonClassHelper.cs 文件：
namespace Introduce
{
using T = Person;
public static partial class PersonClassHelper
{
#region include "Template.cs"
#endregion
}
}
建立 CatClassHelper.cs 文件：
namespace Introduce
{
using T = Cat;
public static partial class CatClassHelper
{
#region include "Template.cs"
#endregion
}
}
為了節(jié)省篇幅，我省略了命名空間的引用，實(shí)際代碼中是有命名空間的引用的。下載包里包含了全部的代碼。接下來，編譯一下，哈哈，編譯通過。
且慢，怎么看不到編譯生成的兩個 Csmacro.cs 文件呢？
這兩個文件已經(jīng)生成了，需要手動將它們添加到項(xiàng)目中，只用添加一次即可。添加進(jìn)來，再編譯一下，哈哈，通過。
這個例子雖小，可不要小看模板啊，在Geb.Image庫里，大量使用了模板：
有了模板，只用維護(hù)公共代碼。
六、迭代器
下面來實(shí)現(xiàn)迭代器。這里，要放棄使用foreach，返回古老的迭代器模式，來訪問圖像的每一個像素：
public unsafe struct ItArgb32Old
{
public unsafe Argb32* Current;
public unsafe Argb32* End;
public unsafe Argb32* Next()
{
if (Current < End) return Current ++;
else return null;
}
}
public static class ImageArgb32Helper
{
public unsafe static ItArgb32Old CreateItorOld(this ImageArgb32 img)
{
ItArgb32Old itor = new ItArgb32Old();
itor.Current = img.Start;
itor.End = img.Start + img.Length;
return itor;
}
}
不幸的是，測試性能，這個迭代器比單純的while循環(huán)慢很多。對一個100萬像素的圖像，將其每一個像素值的Red分量設(shè)為200，循環(huán)100遍，使用迭代器在我的電腦上耗時242 ms，直接使用循環(huán)耗時 72 ms。我測試了很多種方案，均未得到和直接循環(huán)性能近似的迭代器實(shí)現(xiàn)方案。
沒有辦法，只好對迭代器來打折了，只進(jìn)行部分抽象（這已經(jīng)不能算迭代器了，但這里仍沿用這個名稱）：
public unsafe struct ItArgb32
{
public unsafe Argb32* Start;
public unsafe Argb32* End;
public int Step(Argb32* ptr)
{
return 1;
}
}
產(chǎn)生迭代器的代碼：
public unsafe static ItArgb32 CreateItor(this ImageArgb32 img)
{
ItArgb32 itor = new ItArgb32();
itor.Start = img.Start;
itor.End = img.Start + img.Length;
return itor;
}
使用：
ItArgb32 itor = img.CreateItor();
for (Argb32* p = itor.Start; p < itor.End; p+= itor.Step(p))
{
p->Red = 200;
}
測試性能和直接循環(huán)性能幾乎一樣。有人可能要問，你這樣有什么優(yōu)勢？和for循環(huán)有什么區(qū)別？
這個例子中當(dāng)然看不出優(yōu)勢，換個例子就可以看出來了。
在圖像編程中，有 ROI（Region of Interest，感興趣區(qū)域）的概念。比如，在下面這張女王出場的畫面中，假設(shè)我們只對她的頭部感興趣（ROI區(qū)域），只對該區(qū)域進(jìn)行處理（標(biāo)注為紅色區(qū)域）。
對ROI區(qū)域創(chuàng)建一個迭代器，用來迭代ROI中的每一行：
public unsafe struct ItRoiArgb32
{
public unsafe Argb32* Start;
public unsafe Argb32* End;
public int Width;
public int RoiWidth;
public int Step(Argb32* ptr)
{
return Width;
}
public ItArgb32 Itor(Argb32* p)
{
ItArgb32 it = new ItArgb32();
it.Start = p;
it.End = p + RoiWidth;
return it;
}
}
這個ROI迭代器又可以產(chǎn)生一個ItArgb32迭代器，來迭代該行中的像素。
產(chǎn)生ROI迭代器的代碼如下，為了簡化代碼，我這里沒有進(jìn)行ROI的驗(yàn)證：
public unsafe static ItRoiArgb32 CreateRoiItor(this ImageArgb32 img,
int x, int y, int roiWidth, int roiHeight)
{
ItRoiArgb32 itor = new ItRoiArgb32();
itor.Width = img.Width;
itor.RoiWidth = roiWidth;
itor.Start = img.Start + img.Width * y + x;
itor.End = itor.Start + img.Width * roiHeight;
return itor;
}
性能測試表明，使用ROI迭代器進(jìn)行迭代和直接進(jìn)行循環(huán)，性能一致。為一副圖像添加ROI字段，設(shè)置ROI值來控制不同的處理區(qū)域，然后用ROI迭代器進(jìn)行迭代，比直接使用循環(huán)要方便得多。
七、風(fēng)情萬種的Lambda表達(dá)式
接下來，來看看C#指針最有風(fēng)情的一面——Lambda表達(dá)式。 C# 里 delegate 支持指針，下面這種寫法是沒有問題的：
void ActionOnPixel(TPixel* p);
對于圖像處理，我定義了許多擴(kuò)展方法，F(xiàn)orEach是其中的一種，下面是它的模板定義：
public unsafe static UnmanagedImage<TPixel> ForEach(this UnmanagedImage<TPixel> src, ActionOnPixel handler)
{
TPixel* start = (TPixel*)src.StartIntPtr;
TPixel* end = start + src.Length;
while (start != end)
{
handler(start);
++start;
}
return src;
}
讓我們用lambda表達(dá)式對圖像迭代，將每像素的Red分量設(shè)為200吧，一行代碼搞定：
img.ForEach((Argb32* p) => { p->Red = 200; });
用ForEach測試，對100萬像素的圖像設(shè)置Red通道值為200，循環(huán)100次，我的測試結(jié)果是 400 ms，約是直接循環(huán)的 4-5 倍?？梢娺@是個性能不高的操作（其實(shí)也夠高了，100萬象素，循環(huán)100遍，耗時400ms），可以在對性能要求不是特別高時使用。
八、與C/C++的比較
我測試了很多場景，C# 下指針性能約是 C/C++ 的 70-80%，性能差距，可以忽略。
相對于C/C++來說，C#無法直接操作硬件是其遺憾，這種情況，可以使用C/C++寫段小程序來彌補(bǔ)，不過，我還沒遇到這種場景。很多情況都可以P/Invoke解決。
做圖像的話，很多時候需要使用顯卡加速，如使用CUDA或OpenCL，幸運(yùn)的是，C#也可以直接寫CUDA或OpenCL代碼，但是功能可能會受到所用的庫的限制。也可以用傳統(tǒng)方式寫CUDA或OpenCL代碼，再P/Invoke調(diào)用。如果用傳統(tǒng)的C/C++開發(fā)的話，也需要做同樣的工作。
和C比較：
這套方案比C的抽象程度高，我們有模板，有l(wèi)ambda表達(dá)式，還有一大票的語法糖。在類庫上，比C的類庫完善的多。我們還有反射，有命名空間等等一大票的東西。
和C++比較：
這套方案的抽象程度比C++要低一些。畢竟，值類型無法繼承，模板機(jī)制比C++ 差一點(diǎn)。但是在生產(chǎn)力上比C++要高很多。拋開C++那一大票陷阱不說，以秒計(jì)算的編譯速度就夠讓C++程序員流口水的。當(dāng)我們在咖啡館里約會喝咖啡時，C++程序員還正端著一杯咖啡坐在電腦前等待程序編譯結(jié)束。
九、接下來的工作
接下來的工作主要有兩個：
內(nèi)聯(lián)工具：C# 的內(nèi)聯(lián)還不夠強(qiáng)大。需要一個內(nèi)聯(lián)工具，對想要內(nèi)聯(lián)的方法使用特性標(biāo)記一下，在編譯結(jié)束后，在IL代碼層面內(nèi)聯(lián)。
翻譯工具：移動開發(fā)是個痛。如何將C#的代碼翻譯成C/C++的代碼，在缺乏.Net的運(yùn)行時下運(yùn)行？
這兩個工作都不緊要。C#內(nèi)聯(lián)效果不好的地方（這種情況很少），可以手動內(nèi)聯(lián)。至于移動開發(fā)嘛，在哥的一云三端大計(jì)中，C# 的定位是云圖像開發(fā)（C#+CUDA），三端中，桌面運(yùn)用是用C#和Flash開發(fā)，Web和移動應(yīng)用使用Flash開發(fā)，沒有C#的事情。
C/C++ 呢？更沒有它們的位置啦！不對，還是有的。用它們來開發(fā)Flash應(yīng)用的核心算法！夠另類吧！
總結(jié)
本篇文章就到這里了，希望可以幫助到你，也希望你能夠多多關(guān)注腳本之家的更對內(nèi)容！
- C#環(huán)形緩沖區(qū)（隊(duì)列）完全實(shí)現(xiàn)
- C#讀取中文字符及清空緩沖區(qū)的實(shí)現(xiàn)代碼
- 關(guān)于C#?調(diào)用Dll?傳遞字符串指針參數(shù)的問題
- C#調(diào)用帶結(jié)構(gòu)體指針Dll的方法
- 關(guān)于C#調(diào)用C++dll傳指針釋放內(nèi)存問題
- C#實(shí)現(xiàn)復(fù)制數(shù)據(jù)庫 C#將A數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到B數(shù)據(jù)庫
- C#使用SqlBulkCopy批量復(fù)制數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)表
- C#固定大小緩沖區(qū)及使用指針復(fù)制數(shù)據(jù)詳解
相關(guān)文章
這篇文章主要介紹了C#查找列表中所有重復(fù)出現(xiàn)元素的方法,涉及C#針對列表操作的技巧,非常具有實(shí)用價值,需要的朋友可以參考下2015-04-04
Unity?AssetPostprocessor模型函數(shù)Model實(shí)用案例深入解析
這篇文章主要為大家介紹了Unity?AssetPostprocessor模型Model函數(shù)實(shí)用案例深入解析，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進(jìn)步，早日升職加薪2023-05-05
本文詳細(xì)講解了C#使用XmlDocument操作XML的方法，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)。對大家的學(xué)習(xí)或工作具有一定的參考借鑒價值，需要的朋友可以參考下2022-06-06
這篇文章主要為大家詳細(xì)介紹了Unity實(shí)現(xiàn)顏色漸變滑動條，文中示例代碼介紹的非常詳細(xì)，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們可以參考一下2021-07-07
在?C#?中,反射是一個強(qiáng)大的工具,它允許我們在運(yùn)行時檢查程序集、類型、方法等的元數(shù)據(jù),結(jié)合?LINQ,我們可以用更簡潔和表達(dá)力強(qiáng)的方式處理這些信息,本文將詳細(xì)講解如何使用反射與?LINQ?查詢程序集的元數(shù)據(jù),需要的朋友可以參考下2024-08-08
c# 在windows中操作IIS設(shè)置FTP服務(wù)器的示例
這篇文章主要介紹了c# 在windows中操作IIS設(shè)置FTP服務(wù)器的示例，幫助大家更好的理解和學(xué)習(xí)使用c#，感興趣的朋友可以了解下2021-03-03
一個很不錯的b/s前臺輸出彈出對話框、后臺寫javascript語句、后臺直接關(guān)閉web頁面及一個集成了常用驗(yàn)證的通用類,十分的方便。代碼如下2013-12-12
c# 在windows服務(wù)中 使用定時器實(shí)例代碼
這篇文章主要介紹了c# 在windows服務(wù)中 使用定時器實(shí)例代碼，有需要的朋友可以參考一下2013-12-12
這篇文章主要介紹了c#測試反射性能示例,Activator.CreateInstance和AssemblyCreateInstance性能測試,需要的朋友可以參考下2014-03-03
這篇文章主要介紹了c# 獲得本地ip地址的三種方法，幫助大家更好的理解和實(shí)用c#，感興趣的朋友可以了解下2020-12-12