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C#如何從byte[]中直接讀取Structure實(shí)例詳解

來(lái)源：本站原創(chuàng)|時(shí)間：2020-01-10|欄目：C#教程|點(diǎn)擊： 次

序、前言

emmmmm，首先這篇文章講的不是用BinaryFormatter來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)體的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換，說(shuō)真的BinaryFormatter這個(gè)類(lèi)其實(shí)現(xiàn)在的作用并不是特別大了，因?yàn)锽inaryFormatter二進(jìn)制序列化出來(lái)的結(jié)果只能用于.net平臺(tái)，現(xiàn)在可能就用于如存入Redis這種情況下會(huì)在使用。

去年年尾的樣子，我閱讀學(xué)習(xí)某C++開(kāi)發(fā)的程序源碼時(shí)，發(fā)現(xiàn)作者用了一個(gè)很騷的操作直接將byte[]數(shù)組轉(zhuǎn)為了結(jié)構(gòu)體對(duì)象：

上面的data變量是一個(gè)指向unsigned char類(lèi)型的指針，就只要一個(gè)簡(jiǎn)單的類(lèi)型轉(zhuǎn)換就可以將一堆unsigned char轉(zhuǎn)換成想要的結(jié)構(gòu)體，這著實(shí)有點(diǎn)讓筆者有點(diǎn)羨慕。

后來(lái)，筆者想用C#開(kāi)發(fā)一個(gè)流量分析程序，由于需要對(duì)IP報(bào)文進(jìn)行仔細(xì)的特征提取，所以不能直接使用第三方數(shù)據(jù)包解析庫(kù)（如：PacketDotNet）直接解析，會(huì)丟失部分特征，然而使用BinaryReader進(jìn)行報(bào)文頭解析的話(huà)，整個(gè)解析代碼會(huì)寫(xiě)的喪心病狂的惡（e）心（xin），正在苦惱的時(shí)候，突然想起上面提到的那個(gè)騷操作時(shí)，筆者突然冒出了一個(gè)想法，C#里也支持結(jié)構(gòu)體，那我能不能也像C++這樣直接從字節(jié)序列中讀取出結(jié)構(gòu)體呢？

注：本文所有代碼在.net Standard 2.0上測(cè)試通過(guò)。

一、先聲明，后調(diào)用~

那么在開(kāi)始前，我們先定義一下要用到的IPv4報(bào)文頭結(jié)構(gòu)體，各位同學(xué)IPv4報(bào)文頭結(jié)構(gòu)有沒(méi)有忘掉啊，如果忘了的話(huà)記得先去補(bǔ)補(bǔ)TCP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)哈~

因?yàn)镮Pv4頭是允許可變長(zhǎng)度的，所以我們的結(jié)構(gòu)體只需要解析到目的地址就夠了，后面的可變選項(xiàng)部分在報(bào)文頭前16字節(jié)解析完成之前是不知道會(huì)有多長(zhǎng)的。

IPv4頭部結(jié)構(gòu)體定義如下，由于IPv4頭部定義中，各個(gè)字段并不是都8位整長(zhǎng)的，所以有幾個(gè)字段是相互并在一起的：

public struct IPv4Header
{
 /// <summary>
 /// IP協(xié)議版本及頭部長(zhǎng)度
 /// </summary>
 private byte _verHlen;

 /// <summary>
 /// 差異化服務(wù)及顯式擁塞通告
 /// </summary>
 private byte _dscpEcn;

 /// <summary>
 /// 報(bào)文全長(zhǎng)
 /// </summary>
 private ushort _totalLength;

 /// <summary>
 /// 標(biāo)識(shí)符
 /// </summary>
 private ushort _identification;

 /// <summary>
 /// 標(biāo)志位及分片偏移
 /// </summary>
 private ushort _flagsOffset;

 /// <summary>
 /// 存活時(shí)間
 /// </summary>
 private byte _ttl;

 /// <summary>
 /// 協(xié)議
 /// </summary>
 private byte _protocol;

 /// <summary>
 /// 頭部檢驗(yàn)和
 /// </summary>
 private ushort _checksum;

 /// <summary>
 /// 源地址
 /// </summary>
 private int _srcAddr;

 /// <summary>
 /// 目標(biāo)地址
 /// </summary>
 private int _dstAddr;
}

當(dāng)然，為了方便后續(xù)的使用，還可以在此技術(shù)上設(shè)置一些可讀屬性：

public struct IPv4Header
{
 /// <summary>
 /// IP協(xié)議版本及頭部長(zhǎng)度
 /// </summary>
 private byte _verHlen;

 /// <summary>
 /// 差異化服務(wù)及顯式擁塞通告
 /// </summary>
 private byte _dscpEcn;

 /// <summary>
 /// 報(bào)文全長(zhǎng)
 /// </summary>
 private ushort _totalLength;

 /// <summary>
 /// 標(biāo)識(shí)符
 /// </summary>
 private ushort _identification;

 /// <summary>
 /// 標(biāo)志位及分片偏移
 /// </summary>
 private ushort _flagsOffset;

 /// <summary>
 /// 存活時(shí)間
 /// </summary>
 private byte _ttl;

 /// <summary>
 /// 協(xié)議
 /// </summary>
 private byte _protocol;

 /// <summary>
 /// 頭部檢驗(yàn)和
 /// </summary>
 private ushort _checksum;

 /// <summary>
 /// 源地址
 /// </summary>
 private int _srcAddr;

 /// <summary>
 /// 目標(biāo)地址
 /// </summary>
 private int _dstAddr;

 /// <summary>
 /// IP協(xié)議版本
 /// </summary>
 public int Version
 {
 get
 {
  return (this._verHlen & 0xF0) >> 4;
 }
 }

 /// <summary>
 /// 頭部長(zhǎng)度
 /// </summary>
 public int HeaderLength
 {
 get
 {
  return this._verHlen & 0x0F;
 }
 }

 /// <summary>
 /// 差異化服務(wù)
 /// </summary>
 public int DSCP
 {
 get
 {
  return (this._dscpEcn & 0xFC) >> 2;
 }
 }

 /// <summary>
 /// 顯式擁塞通告
 /// </summary>
 public int ECN
 {
 get
 {
  return this._dscpEcn & 0x03;
 }
 }

 /// <summary>
 /// 報(bào)文全長(zhǎng)
 /// </summary>
 public ushort TotalLength
 {
 get
 {
  return this._totalLength;
 }
 }

 /// <summary>
 /// 標(biāo)識(shí)符
 /// </summary>
 public ushort Identification
 {
 get
 {
  return this._identification;
 }
 }

 /// <summary>
 /// 保留字段
 /// </summary>
 public int Reserved
 {
 get
 {
  return (this._flagsOffset & 0x80) >> 7;
 }
 }

 /// <summary>
 /// 禁止分片標(biāo)志位
 /// </summary>
 public bool DF
 {
 get
 {
  return (this._flagsOffset & 0x40) == 1;
 }
 }

 /// <summary>
 /// 更多分片標(biāo)志位
 /// </summary>
 public bool MF
 {
 get
 {
  return (this._flagsOffset & 0x20) == 1;
 }
 }

 /// <summary>
 /// 分片偏移
 /// </summary>
 public int FragmentOffset
 {
 get
 {
  return this._flagsOffset & 0x1F;
 }
 }

 /// <summary>
 /// 存活時(shí)間
 /// </summary>
 public byte TTL
 {
 get
 {
  return this._ttl;
 }
 }

 /// <summary>
 /// 協(xié)議
 /// </summary>
 public byte Protocol
 {
 get
 {
  return this._protocol;
 }
 }

 /// <summary>
 /// 頭部檢驗(yàn)和
 /// </summary>
 public ushort HeaderChecksum
 {
 get
 {
  return this._checksum;
 }
 }

 /// <summary>
 /// 源地址
 /// </summary>
 public IPAddress SrcAddr
 {
 get
 {
  return new IPAddress(BitConverter.GetBytes(this._srcAddr));
 }
 }

 /// <summary>
 /// 目的地址
 /// </summary>
 public IPAddress DstAddr
 {
 get
 {
  return new IPAddress(BitConverter.GetBytes(this._dstAddr));
 }
 }
}

二、byte[]轉(zhuǎn)Structure第一版

首先筆者先看了一圈文檔，看看C#有沒(méi)有什么方法支持將byte[]轉(zhuǎn)為結(jié)構(gòu)體，逛了一圈發(fā)現(xiàn)一個(gè)有這么一個(gè)函數(shù)：

System.Runtime.InteropServices.Marshal.PtrToStructure<T>(IntPtr)

這個(gè)方法接收兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)結(jié)構(gòu)體泛型和一個(gè)指向結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)的安全指針（IntPtr），然后這個(gè)方法就能返回一個(gè)結(jié)構(gòu)體實(shí)例出來(lái)了。

那么現(xiàn)在的問(wèn)題就是該如何取得一個(gè)byte[]對(duì)象的安全指針呢？這里筆者第一反應(yīng)是利用System.Runtime.InteropServices.Marshal.AllocHGlobal方法分配一塊堆外內(nèi)存出來(lái)，然后將待轉(zhuǎn)換的byte[]對(duì)象復(fù)制到這塊堆外內(nèi)存中，接著利用PtrToStructure<T>函數(shù)將byte[]對(duì)象轉(zhuǎn)換成我們想要的結(jié)構(gòu)體對(duì)象實(shí)例，最后釋放掉堆外內(nèi)存就可以了。

將上面的步驟轉(zhuǎn)換為C#代碼，就形成了第一版的BytesToStructure<T>函數(shù)：

/// <summary>
/// 將 byte[] 轉(zhuǎn)為指定結(jié)構(gòu)體實(shí)例
/// </summary>
/// <typeparam name="T">目標(biāo)結(jié)構(gòu)體類(lèi)型</typeparam>
/// <param name="bytes">待轉(zhuǎn)換 byte[]</param>
/// <returns>轉(zhuǎn)換后的結(jié)構(gòu)體實(shí)例</returns>
public static T BytesToStructure<T>(byte[] bytes) where T : struct
{
 int size = Marshal.SizeOf(typeof(T));
 IntPtr ptr = Marshal.AllocHGlobal(size);
 try
 {
 Marshal.Copy(bytes, 0, ptr, size);
 return Marshal.PtrToStructure<T>(ptr);
 }
 finally
 {
 Marshal.FreeHGlobal(ptr);
 }
}

之后就只要抓一下包看看效果就好了。

抓包我們用SharpPcap，順便讓它幫我們過(guò)濾一下僅捕獲IP報(bào)文。代碼如下：

public static void Main(string[] args)
{
 CaptureDeviceList devices = CaptureDeviceList.Instance;
 if (devices.Count <= 0)
 {
 Console.WriteLine("No device found on this machine");
 return;
 }
 else
 {
 Console.WriteLine("available devices:");
 Console.WriteLine("-----------------------------");
 }

 int index = 0;
 foreach (ICaptureDevice item in devices)
 {
 Console.WriteLine($"{index++}) {item.Name}");
 }
 Console.Write("enter your choose: ");
 index = int.Parse(Console.ReadLine());
 Console.WriteLine();

 ICaptureDevice device = devices[index];
 device.OnPacketArrival += new PacketArrivalEventHandler((sender, e) =>
 {
 Packet packet = Packet.ParsePacket(e.Packet.LinkLayerType, e.Packet.Data);
 if (packet.Extract(typeof(IPPacket)) is IPPacket ipPacket)
 {
  IPv4Header header = StructHelper.BytesToStructure<IPv4Header>(ipPacket.Bytes);
  Console.WriteLine($"{header.SrcAddr} ==> {header.DstAddr}");
 }
 });

 device.Open(DeviceMode.Promiscuous, 1000);
 device.Filter = "ip";
 Console.CancelKeyPress += new ConsoleCancelEventHandler((sender, e) => device.Close());

 device.Capture();
}

啟動(dòng)上面的代碼，選擇需要捕獲數(shù)據(jù)包的網(wǎng)卡，就可以看到此網(wǎng)卡上所有IP報(bào)文記錄及其源地址與目標(biāo)地址了：

三、大端字節(jié)序、小端字節(jié)序……

剛剛上面我們已經(jīng)成功的將byte[]對(duì)象轉(zhuǎn)換為我們想要的結(jié)構(gòu)體了，但我們轉(zhuǎn)換出來(lái)的結(jié)構(gòu)體真的正確嗎，我們可以將我們讀取出來(lái)的結(jié)構(gòu)體和PacketDotNet包解析出來(lái)的IP報(bào)文頭數(shù)據(jù)進(jìn)行比較：

我們可以看到我們轉(zhuǎn)換出來(lái)的IPv4報(bào)文頭結(jié)構(gòu)體中的報(bào)文總長(zhǎng)字段和PacketDotNet解析出來(lái)的數(shù)據(jù)不一致，我們的轉(zhuǎn)換函數(shù)出來(lái)的包總長(zhǎng)是15872，而PacketDotNet解析出來(lái)的包總長(zhǎng)只有62。

到底誰(shuí)是對(duì)的呢，不用猜，肯定是我們的轉(zhuǎn)換函數(shù)有問(wèn)題，如果看官您不相信，可以用WireShark抓包做比較，看看WireShark會(huì)挺誰(shuí)的結(jié)果。

那么到底是哪里錯(cuò)了呢？相信不少有實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的看官已經(jīng)知道問(wèn)題的原因了：大小字節(jié)序。

我們分別將15872和62轉(zhuǎn)為二進(jìn)制格式：

數(shù)值 15872 62
二進(jìn)制 00111110 00000000 00000000 00111110
 

15872和62這兩個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制之后，15872的00111110在前面，00000000在后面，而62則正好相反。

一般來(lái)說(shuō)計(jì)算機(jī)硬件有兩種儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的方式：大端字節(jié)序（big endian）和小端字節(jié)序（little endian）。

舉例來(lái)說(shuō)，數(shù)值0x2211使用兩個(gè)字節(jié)儲(chǔ)存：高位字節(jié)是0x22，低位字節(jié)是0x11。

大端字節(jié)序：

高位字節(jié)在前，低位字節(jié)在后，這是人類(lèi)讀寫(xiě)數(shù)值的方法。

小端字節(jié)序：

低位字節(jié)在前，高位字節(jié)在后，即以0x1122形式儲(chǔ)存。

在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)，一般使用的是大端字節(jié)序，然而在計(jì)算機(jī)內(nèi)部中，為了方便計(jì)算，大多都會(huì)使用小端字節(jié)序進(jìn)行儲(chǔ)存。

.net CLR默認(rèn)會(huì)使用當(dāng)前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用的字節(jié)順序，而筆者測(cè)試時(shí)用的系統(tǒng)是Windows 7 x64，內(nèi)部默認(rèn)用的是小端字節(jié)序，所以在一切均為默認(rèn)的情況下，多字節(jié)字段在轉(zhuǎn)換后都會(huì)因?yàn)樽止?jié)序不正確而讀取為錯(cuò)誤值。

.net提供了一個(gè)屬性用于開(kāi)發(fā)者獲取當(dāng)前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用的字節(jié)序：

System.BitConverter.IsLittleEndian

如果此屬性為true，則表示當(dāng)前計(jì)算機(jī)正在使用小端字節(jié)序，否則為大端字節(jié)序。

回到剛剛的問(wèn)題，為了防止大小端字節(jié)序?qū)D(zhuǎn)換產(chǎn)生影響，我們可以使用Attribute對(duì)結(jié)構(gòu)體中各個(gè)多字節(jié)字段進(jìn)行標(biāo)記，并在轉(zhuǎn)換前判斷字節(jié)序是否一致，如果不一致則進(jìn)行順序調(diào)整，代碼如下：

首先定義一個(gè)大小端字節(jié)序枚舉：

/// <summary>
/// 字節(jié)序枚舉
/// </summary>
public enum Endianness
{
 /// <summary>
 /// 大端字節(jié)序
 /// </summary>
 BigEndian,

 /// <summary>
 /// 小端字節(jié)序
 /// </summary>
 LittleEndian
}

然后定義大小端字節(jié)序聲明特性

/// <summary>
/// 字節(jié)序特性
/// </summary>
[AttributeUsage(AttributeTargets.Field)]
public class EndianAttribute : Attribute
{
 /// <summary>
 /// 標(biāo)記字段的字節(jié)序
 /// </summary>
 public Endianness Endianness { get; private set; }

 /// <summary>
 /// 構(gòu)造函數(shù)
 /// </summary>
 /// <param name="endianness">字節(jié)序</param>
 public EndianAttribute(Endianness endianness)
 {
 this.Endianness = endianness;
 }
}

我們?cè)谶@里使用AttributeUsage特性限制此EndianAttribute特性?xún)H限字段使用。

然后是轉(zhuǎn)換函數(shù)：

/// <summary>
/// 調(diào)整字節(jié)順序
/// </summary>
/// <typeparam name="T">待調(diào)整字節(jié)順序的結(jié)構(gòu)體類(lèi)型</typeparam>
/// <param name="bytes">字節(jié)數(shù)組</param>
private static byte[] RespectEndianness<T>(byte[] bytes)
{
 Type type = typeof(T);

 var fields = type.GetFields(BindingFlags.Instance | BindingFlags.Public | BindingFlags.NonPublic)
 .Where(f => f.IsDefined(typeof(EndianAttribute), false)).Select(field => new
 {
  Field = field,
  Attribute = (EndianAttribute)field.GetCustomAttributes(typeof(EndianAttribute), false).First(),
  Offset = Marshal.OffsetOf(type, field.Name).ToInt32()
 }).ToList();

 foreach (var field in fields)
 {
 if ((field.Attribute.Endianness == Endianness.BigEndian && BitConverter.IsLittleEndian) ||
 (field.Attribute.Endianness == Endianness.LittleEndian && !BitConverter.IsLittleEndian))
 {
  Array.Reverse(bytes, field.Offset, Marshal.SizeOf(field.Field.FieldType));
 }
 }

 return bytes;
}

此函數(shù)會(huì)先使用反射獲取所有含有EndianAttribute特性的公開(kāi)或非公開(kāi)實(shí)例字段，然后依次求出其偏移，最后判斷字段標(biāo)注的字節(jié)序是否與當(dāng)前計(jì)算機(jī)的字節(jié)序相同，如果不同則進(jìn)行順序翻轉(zhuǎn)。另外上面的函數(shù)使用了Linq，需要引入System.Linq命名空間，且Linq函數(shù)中還使用到了匿名類(lèi)。

接下來(lái)要對(duì)轉(zhuǎn)換函數(shù)進(jìn)行修改，只需要在轉(zhuǎn)換前調(diào)用一下調(diào)序函數(shù)即可。

/// <summary>
/// 將 byte[] 轉(zhuǎn)為指定結(jié)構(gòu)體實(shí)例
/// </summary>
/// <typeparam name="T">目標(biāo)結(jié)構(gòu)體類(lèi)型</typeparam>
/// <param name="bytes">待轉(zhuǎn)換 byte[]</param>
/// <returns>轉(zhuǎn)換后的結(jié)構(gòu)體實(shí)例</returns>
public static T BytesToStructure<T>(byte[] bytes) where T : struct
{
 bytes = RespectEndianness<T>(bytes);
 int size = Marshal.SizeOf(typeof(T));
 IntPtr ptr = Marshal.AllocHGlobal(size);
 try
 {
 Marshal.Copy(bytes, 0, ptr, size);
 return Marshal.PtrToStructure<T>(ptr);
 }
 finally
 {
 Marshal.FreeHGlobal(ptr);
 }
}

當(dāng)然了，我們還要對(duì)結(jié)構(gòu)體中的各個(gè)多字節(jié)字段標(biāo)記上EndianAttribute特性：

public struct IPv4Header
{
 /// <summary>
 /// IP協(xié)議版本及頭部長(zhǎng)度
 /// </summary>
 private byte _verHlen;

 /// <summary>
 /// 差異化服務(wù)及顯式擁塞通告
 /// </summary>
 private byte _dscpEcn;

 /// <summary>
 /// 報(bào)文全長(zhǎng)
 /// </summary>
 [Endian(Endianness.BigEndian)]
 private ushort _totalLength;

 /// <summary>
 /// 標(biāo)識(shí)符
 /// </summary>
 [Endian(Endianness.BigEndian)]
 private ushort _identification;

 /// <summary>
 /// 標(biāo)志位及分片偏移
 /// </summary>
 [Endian(Endianness.BigEndian)]
 private ushort _flagsOffset;

 /// <summary>
 /// 存活時(shí)間
 /// </summary>
 private byte _ttl;

 /// <summary>
 /// 協(xié)議
 /// </summary>
 private byte _protocol;

 /// <summary>
 /// 頭部檢驗(yàn)和
 /// </summary>
 [Endian(Endianness.BigEndian)]
 private ushort _checksum;

 /// <summary>
 /// 源地址
 /// </summary>
 private int _srcAddr;

 /// <summary>
 /// 目標(biāo)地址
 /// </summary>
 private int _dstAddr;
}

需要說(shuō)一點(diǎn)，就是最后的源地址和目標(biāo)地址，筆者上面用的是

public IPAddress(byte[] address)

這個(gè)構(gòu)造函數(shù)來(lái)構(gòu)造IPAddress類(lèi)，并且是使用BitConverter.GetBytes這個(gè)方法將int類(lèi)型轉(zhuǎn)為byte[]并傳入構(gòu)造函數(shù)的，所以不用注明大端序，否則會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果不正確（錯(cuò)誤結(jié)果和正確結(jié)果會(huì)正好顛倒）。 

重啟程序，看看現(xiàn)在我們的轉(zhuǎn)換函數(shù)轉(zhuǎn)換出來(lái)的結(jié)果是不是和PacketDotNet轉(zhuǎn)換結(jié)果一樣了？

四、性能提升！性能提升！

在解決了大字節(jié)序小字節(jié)序的問(wèn)題之后，讓我們重新審視一下剛剛上面的轉(zhuǎn)換函數(shù)，可以看到在剛才的函數(shù)中，每次要從byte[]中讀取結(jié)構(gòu)體時(shí)，都要經(jīng)過(guò)“申請(qǐng)堆外內(nèi)存——復(fù)制對(duì)象——讀取結(jié)構(gòu)體——釋放堆外內(nèi)存”這四步，申請(qǐng)堆外內(nèi)存，復(fù)制對(duì)象和釋放堆外內(nèi)存這三步照理來(lái)說(shuō)是浪費(fèi)性能的，明明byte[]已經(jīng)在內(nèi)存中了，但就是為了獲取它的安全句柄而大費(fèi)周章的再去申請(qǐng)一塊內(nèi)存，畢竟申請(qǐng)和釋放內(nèi)存也算是一筆不小的開(kāi)支了。

那除了Marshal.AllocHGlobal以外還有別的什么方法能獲取到托管對(duì)象的安全句柄呢？筆者又去網(wǎng)上找了一下，您還別說(shuō)，這還真的有。朋友，您聽(tīng)說(shuō)過(guò)GCHandle嗎？

System.Runtime.InteropServices.GCHandle.Alloc

此方法允許傳入任意一個(gè)object對(duì)象，它將返回一個(gè)GCHandle實(shí)例并保護(hù)傳入的對(duì)象不會(huì)被GC回收掉，當(dāng)使用完畢后，需要調(diào)用此GCHandle實(shí)例的Free方法進(jìn)行釋放。而GCHandle結(jié)構(gòu)體有一個(gè)實(shí)例方法AddrOfPinnedObject，此方法將返回此固定對(duì)象的地址及安全指針（IntPtr）。

利用GCHandle.Alloc方法，就可以避免重復(fù)的申請(qǐng)、復(fù)制和釋放內(nèi)存了，由此我們對(duì)剛剛的第一版BytesToStructure函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，第二版BytesToStructure函數(shù)閃亮登場(chǎng)：

/// <summary>
/// 將 byte[] 轉(zhuǎn)為指定結(jié)構(gòu)體實(shí)例
/// </summary>
/// <typeparam name="T">目標(biāo)結(jié)構(gòu)體類(lèi)型</typeparam>
/// <param name="bytes">待轉(zhuǎn)換 byte[]</param>
/// <returns>轉(zhuǎn)換后的結(jié)構(gòu)體實(shí)例</returns>
public static T BytesToStructureV2<T>(byte[] bytes) where T : struct
{
 bytes = RespectEndianness<T>(bytes);
 GCHandle handle = GCHandle.Alloc(bytes, GCHandleType.Pinned);
 try
 {
 return Marshal.PtrToStructure<T>(handle.AddrOfPinnedObject());
 }
 finally
 {
 handle.Free();
 }
}

現(xiàn)在我們來(lái)比較兩個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)的效率試試：

我們使用相同的數(shù)據(jù)包，讓兩個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)重復(fù)運(yùn)行1000w次，查看兩個(gè)函數(shù)使用的時(shí)間差距：

注意：因?yàn)檎{(diào)整大小端字節(jié)序會(huì)使用到反射，會(huì)嚴(yán)重的影響到函數(shù)本身的運(yùn)行效率（運(yùn)行時(shí)間大部份都在用于反射），所以在測(cè)試時(shí)，筆者會(huì)注釋掉調(diào)整字節(jié)序調(diào)整的代碼。

BytesToStructure<T> BytesToStructureV2<T>
1000w次轉(zhuǎn)換耗時(shí) 5069 ms 2914 ms.

五、榨干潛能，使用不安全代碼！

我們?cè)趧倓偟拇a里通過(guò)避免“申請(qǐng)內(nèi)存——復(fù)制數(shù)據(jù)——釋放內(nèi)存”的步驟來(lái)提升函數(shù)的執(zhí)行效率，那經(jīng)過(guò)上面的改造，我們的轉(zhuǎn)換函數(shù)還有提升的空間嗎？

答案是有的。

C#和Java最大的不同點(diǎn)在于C#允許程序員使用不安全代碼，這里的不安全代碼并不是指一定存在漏洞會(huì)被攻擊者利用的不安全，而是使用指針的代碼。是的！C#允許使用指針！只需要在編譯時(shí)打開(kāi)/unsafe開(kāi)關(guān)。

文章一開(kāi)始的C++代碼利用指針進(jìn)行轉(zhuǎn)換，C#其實(shí)也可以：

/// <summary>
/// 將 byte[] 轉(zhuǎn)為指定結(jié)構(gòu)體實(shí)例
/// </summary>
/// <typeparam name="T">目標(biāo)結(jié)構(gòu)體類(lèi)型</typeparam>
/// <param name="bytes">待轉(zhuǎn)換 byte[]</param>
/// <returns>轉(zhuǎn)換后的結(jié)構(gòu)體實(shí)例</returns>
public static unsafe T BytesToStructureV3<T>(byte[] bytes) where T : struct
{
 bytes = RespectEndianness<T>(bytes);
 fixed (byte* ptr = &bytes[0])
 {
 return (T)Marshal.PtrToStructure((IntPtr)ptr, typeof(T));
 }
}

這個(gè)第三版函數(shù)使用了兩個(gè)關(guān)鍵字unsafe和fixed，unsafe表示此代碼為不安全代碼，C#中不安全代碼必須在unsafe標(biāo)識(shí)區(qū)域內(nèi)使用，且編譯時(shí)要啟用/unsafe開(kāi)關(guān)。fixed在這里主要是為了將指針?biāo)赶虻淖兞俊搬斪　保苊釭C誤重定位變量以產(chǎn)生錯(cuò)誤。

 

同樣，我們注釋掉大小端字節(jié)序調(diào)整函數(shù)，再次重復(fù)運(yùn)行1000w次，看看三個(gè)函數(shù)的用時(shí)：

BytesToStructure<T> BytesToStructureV2<T> BytesToStructureV3<T>
1000w次轉(zhuǎn)換耗時(shí) 5069 ms 2914 ms. 2004 ms

又比之前縮短了進(jìn)1s的時(shí)間。當(dāng)然了因?yàn)檫@是重復(fù)1000w次的耗時(shí)，而因?yàn)槲覀冏⑨尩袅舜笮《俗止?jié)序調(diào)整函數(shù)，實(shí)際情況下啟用大小端字節(jié)序調(diào)整函數(shù)的話(huà)，時(shí)間會(huì)爆炸性的增長(zhǎng)。可見(jiàn)反射是一個(gè)多么浪費(fèi)性能的操作。

六、小結(jié)

emmmmm，說(shuō)一個(gè)比較尷尬的事情，其實(shí)本文討論的這種byte[]轉(zhuǎn)為結(jié)構(gòu)體的情況其實(shí)在日常開(kāi)發(fā)中很少會(huì)用到，首先是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)體這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在日常開(kāi)發(fā)中就很少會(huì)用到，平時(shí)開(kāi)發(fā)的話(huà)類(lèi)才是大頭，另外如果是因?yàn)橐虲/C++開(kāi)發(fā)的Dll交互，可以利用.net中System.Runtime.InteropServices命名空間下的StructLayoutAttribute、FieldOffset等特性自定義標(biāo)記結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)，CLR會(huì)在結(jié)構(gòu)體傳入或傳出時(shí)自動(dòng)進(jìn)行托管內(nèi)存與非托管內(nèi)存之間內(nèi)存格式的轉(zhuǎn)換。

所以本文其實(shí)是為了后面的博客做服務(wù)的，那就是不安全代碼，這個(gè)看似神秘，實(shí)則鋒利無(wú)比的雙刃劍，盡請(qǐng)期待。

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欄    目：C#教程

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本文標(biāo)題：C#如何從byte[]中直接讀取Structure實(shí)例詳解

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