C#拾遺補(bǔ)漏：使用結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)共用體
在 C 和 C# 編程語(yǔ)言中，結(jié)構(gòu)體（Struct）是值類型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它使得一個(gè)單一變量可以存儲(chǔ)多種類型的相關(guān)數(shù)據(jù)。在 C 語(yǔ)言中還有一種和結(jié)構(gòu)體非常類似的語(yǔ)法，叫共用體（Union），有時(shí)也被直譯為聯(lián)合或者聯(lián)合體。而在 C# 中并沒有共用體這樣一個(gè)定義，本文將介紹如何使用 C# 實(shí)現(xiàn) C 語(yǔ)言中的共用體。
理解 C 語(yǔ)言的共用體
在 C 語(yǔ)言中，共用體是一種特殊的數(shù)據(jù)類型，允許你使用相同的一段內(nèi)存空間存儲(chǔ)不同的成員數(shù)據(jù)。光看定義有點(diǎn)抽象，我們來看一個(gè) C 語(yǔ)言的共用體示例：
#include?
union data{
int n;
char ch;
short m;
};
int?main(){
union data a;
printf("%d, %d\n", sizeof(a), sizeof(union data) );
a.n = 0x40;
printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);
a.ch = '9';
printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);
a.m = 0x2059;
printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);
a.n = 0x3E25AD54;
printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);
return?0;
}
運(yùn)行結(jié)果：
4, 4
40, @, 40
39, 9, 39
2059, Y, 2059
3E25AD54, T, AD54
要想理解上面的輸出結(jié)果，就得了解共用體各個(gè)成員在內(nèi)存中的分布。此示例中的 data 各個(gè)成員在內(nèi)存中的分布示意圖如下：
也就是說共用體的所有成員占用的是同一段內(nèi)存，所占內(nèi)存等于最長(zhǎng)的成員占用的內(nèi)存，修改一個(gè)成員會(huì)影響其它所有成員。而結(jié)構(gòu)體的各個(gè)成員占用的是各自不同的內(nèi)存，所占內(nèi)存大于等于所有成員占用的內(nèi)存的總和（成員之間可能會(huì)存在縫隙），成員相互之間沒有影響。這是共用體和結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別。
使用 C# 實(shí)現(xiàn)共用體
和 C 語(yǔ)言不同的是，C# 中沒有共用體的定義。那在 C# 中如何來實(shí)現(xiàn)這種定義呢？
C# 不僅可以實(shí)現(xiàn)共用體，而且可以實(shí)現(xiàn)比 C 語(yǔ)言更強(qiáng)大的共用體。C 語(yǔ)言的共用體每個(gè)成員在共用的內(nèi)存中都必須從相同的起始位置開始存儲(chǔ)，而在 C# 中可以指定各成員的起始位置（相對(duì)偏移）。好處是，不僅可以節(jié)省內(nèi)存空間，還可以實(shí)現(xiàn)一些自動(dòng)轉(zhuǎn)換操作。
以 IP 地址的存儲(chǔ)為例，IP 地址是以 4 段數(shù)字來表示的（如?192.168.1.10），每一段是一個(gè)字節(jié)（Byte），長(zhǎng)度是 2^8，最大值是 255。我們可以用很多類型來表示 IP 地址，比如字符串、整型、自定義類和結(jié)構(gòu)等。但如果我們有時(shí)要訪問或修改其中一段，怎樣存儲(chǔ)最為方便呢？
我們可以使用 C# 的顯示布局結(jié)構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)類似 C 語(yǔ)言中的共用體，以方便靈活地操作 IP 地址的每一段。實(shí)現(xiàn)方式如下：
using System.Runtime.InteropServices;
[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
public?struct IpAddress
{
// FieldOffset 表示偏移的位置（以字節(jié)為單位）
// sizeof(int) = 4, sizeof(byte) = 1
[FieldOffset(0)] public?int Address;
[FieldOffset(0)] public?byte Byte1;
[FieldOffset(1)] public?byte Byte2;
[FieldOffset(2)] public?byte Byte3;
[FieldOffset(3)] public?byte Byte4;
public?IpAddress(int address) : this()
{
// 給 Address 賦值時(shí)，所有成員的值都會(huì)自動(dòng)被修改
Address = address;
}
public?override?string?ToString() => $"{Byte1}.{Byte2}.{Byte3}.{Byte4}";
}
這里我們使用了?StructLayout?特性標(biāo)注了?IpAddress，聲明其內(nèi)存分布是顯示（Explicit）的，然后使用?FieldOffset?特性來標(biāo)注成員在共用內(nèi)存中相對(duì)起始位置的偏移量（以字節(jié)為單位）。
如此我們就用 C# 實(shí)現(xiàn)了和 C 語(yǔ)言一樣的共用體。可能你不能馬上體會(huì)這樣實(shí)現(xiàn)的妙處，讓來我們來看一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。
假設(shè)我要在 IP 段內(nèi)隨機(jī)生成一個(gè) IP，比如前兩段不變，后兩段隨機(jī)，形如：192.163.X.X。使用上面定義好的“共用體”，我們可以這樣做：
var ip = new IpAddress(new Random().Next());
Console.WriteLine($"{ip} = {ip.Address}");
ip.Byte1 = 192;
ip.Byte2 = 168;
Console.WriteLine($"{ip} = {ip.Address}");
輸出結(jié)果：
47.29.249.122 = 2063146287
192.168.249.122 = 2063182016
這樣不僅節(jié)省內(nèi)存，而且可以很靈活方便地讀取和修改 IP 中的某一段。由于成員?Address?和其它成員共用內(nèi)存，所以修改一個(gè)成員，其余就自動(dòng)修改。
共用體作為另一個(gè)共用體的成員
既然“共用體”是值類型，那么共用體自然也可以作為作為另一個(gè)共用體的成員。讓我們來看一個(gè)較為復(fù)雜的例子，使用共用體實(shí)現(xiàn)由協(xié)議、IP 和端口三部分組成的服務(wù)端地址的表示，形如：協(xié)議://IP:端口。
using System;
using System.Runtime.InteropServices;
[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
public?struct IpAddress
{
[FieldOffset(0)] public?int Address;
[FieldOffset(0)] public?byte Byte1;
[FieldOffset(1)] public?byte Byte2;
[FieldOffset(2)] public?byte Byte3;
[FieldOffset(3)] public?byte Byte4;
public?IpAddress(int address) : this()
{
Address = address;
}
public?override?string?ToString() => $"{Byte1}.{Byte2}.{Byte3}.{Byte4}";
}
public?enum Protocol : byte { http, https, ftp, sftp, tcp };
[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
public?struct Server
{
[FieldOffset(0)] public IpAddress Address;
[FieldOffset(4)] public?ushort Port;
[FieldOffset(6)] public Protocol Protocol;
[FieldOffset(0)] public?long Payload;
public?Server(IpAddress addr, ushort port, Protocol prot) : this()
{
Address = addr;
Port = port;
Protocol = prot;
}
public?Server(long payload)
{
// 參數(shù)長(zhǎng)度可能不足填滿每個(gè)成員，所以這里先對(duì)成員設(shè)初始值
Address = new IpAddress(0);
Port = 80;
Protocol = Protocol.http;
// 填值
Payload = payload;
}
public Server Copy() => new Server(Payload);
public?override?string?ToString() => $"{Protocol}://{Address}:{Port}";
}
我們來用一段測(cè)試代碼驗(yàn)證一下這個(gè)Server結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存使用情況：
var ip = new IpAddress(new Random().Next());
Console.WriteLine($"Size: {Marshal.SizeOf(ip)} bytes. Value: {ip.Address} = {ip}");
var s1 = new Server(ip, 8080, Protocol.https);
var s2 = new Server(s1.Payload);
s2.Address.Byte1 = 100;
s2.Protocol = Protocol.ftp;
Console.WriteLine($"Size: {Marshal.SizeOf(s1)} bytes. Value: {s1.Address} = {s1}");
Console.WriteLine($"Size: {Marshal.SizeOf(s2)} bytes. Value: {s2.Address} = {s2}");
輸出結(jié)果：
Size: 4 bytes. Value: 2102736192 = 64.53.85.125
Size: 8 bytes. Value: 64.53.85.125 = https://64.53.85.125:8080
Size: 8 bytes. Value: 100.53.85.125 = ftp://100.53.85.125:8080
示例中，IP 地址偏移 0 字節(jié)，長(zhǎng)度為 4 字節(jié)；端口號(hào)偏移 4 字節(jié)，長(zhǎng)度為 2 字節(jié)；協(xié)議偏移 6 字節(jié)，長(zhǎng)度為 1 字節(jié)?？傞L(zhǎng)度應(yīng)為 4+2+1=7 字節(jié)，但實(shí)際打印出來卻是 8 字節(jié)，請(qǐng)問是為什么？
參考：https://bit.ly/3qmH92V
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