如何在C#中模拟C++的联合.doc

如何在C#中模拟C+的联合如何在C#中模拟C+的联合（Union）？C#, C+0 如何阅读本文？如果你. .希望了解联合的概念，请阅读“什么是联合？”。 .希望了解联合的内存使用情况，请阅读“联合的内存布局与内存使用情况。”。 .希望了解如何在C#中模拟联合，请阅读“第一次尝试：在C#中模拟这种布局方式。”。 .希望了解在C+中使用联合有哪些要注意的地方，请阅读“在实际的C+代码中，我们是如何使用联合的？”。 .希望了解如何在C#中更好的使用模拟的联合，请阅读“第二次尝试：改进型的联合模拟。”。 .希望了解在C#中使用模拟的联合有些什么注意事项，请阅读“别在模拟的联合中同时使用值类型和引用类型！”。 .希望了解为何我要写这篇文章，请阅读“为什么要在C#里面模拟这个用处不大的东西？”。否则. .你应该从头到尾阅读全文。 1 什么是联合？联合（Union）是一种特殊的类，一个联合中的数据成员在内存中的存储是互相重叠的。每个数据成员都在相同的内存地址开始。分配给联合的存储区数量是“要包含它最大的数据成员”所需的内存数。同一时刻只有一个成员可以被赋给一个值。下面我们来看看C+中如何表达联合：/ Code #01union TokenValue char _cval; int _ival; double _dval; 2 联合的内存布局与内存使用情况。下面我们来考察一下TokenValue的内存布局。首先，我们使用sizeof运算符来获取该联合各个成员的内存占用字节数：/ Code #02int _tmain(int argc, _TCHAR* argv) cout sizeof(char): sizeof(char) endl; cout sizeof(int): sizeof(int) endl; cout sizeof(double): sizeof(double) endl; return 0;/*/* * Output: * sizeof(char): 1 * sizeof(int): 4 * sizeof(double): 8 * */这样，分配给该联合的内存就是8个字节。接着，我们来看看具体使用该联合时，所分配的内存的字节占用情况如何：/ Code #03int _tmain(int argc, _TCHAR* argv) TokenValue tv; / _ tv._cval = K; / X_ tv._ival = 1412; / XXXX_ tv._dval = 3.14159; / XXXXXXXX return 0; 3 第一次尝试：在C#中模拟这种布局方式。在C#中，要指定成员的内存布局情况，我们需要结合使用StructLayoutAttribute特性、LayoutKind枚举和FieldOffsetAttribute特性，它们都位于System.Runtime.InteropServices命名空间中。下面我用struct来试着模拟上面的TokenValue联合：/ Code #04StructLayout(LayoutKind.Explicit, Size=8)struct TokenValue FieldOffset(0) public char _cval; FieldOffset(0) public int _ival; FieldOffset(0) public double _dval;我们知道，联合的每个数据成员都在相同的内存地址开始，通过把FieldOffset(0)应用到TokenValue的每一个成员，我们就指定了这些成员都处于同一起始位置。当然，我们得事先告诉.NET这些成员的内存布局由我们来作主，把LayoutKind.Explicit枚举传递给StructLayoutAttribute特性的构造函数，并应用到TokenValue，.NET就不会再干涉该struct的成员在内存中的布局了。另外，我显式的把TokenValue的大小设置为8字节，当然，这样做是可选的。 4 在实际的C+代码中，我们是如何使用联合的？在实际的C+代码中，我们应尽量避免让客户端直接使用联合，Code #03就是一个很好的反面例子了。为什么呢？熟悉C/C+的开发人员都知道，联合提供我们这样一个节省空间的储存方式，是要我们付出一定的代价的。这个代价就是代码的安全性，不恰当地使用联合可能会导致程序崩溃的。由于每一次只有一个联合成员处于激活状态，如果我们不小心或者因为其它原因使用处于休眠状态的成员，轻则得到错误的结果，重则整个程序中止。请看下面的代码：/ Code #05union TokenValue char _cval; int _ival; double _dval; char* _sval;int _tmain(int argc, _TCHAR* argv) TokenValue tv; tv._cval = K; cout tv._cval endl; / Line #01 cout tv._ival endl; / Line #02 cout tv._dval endl; / Line #03 cout tv._sval endl; / Line #04 return 0;这里的TokenValue比起Code #01的仅仅多了一个_sval，它是C风格的字符串，实质上，它是指向字符串的第一个字符的指针，它占用4字节的内存空间。当程序运行到Line #04时，就会出现Unhandled Exception，程序中止，并指出_sval的值非法（即所谓的“野指针”）。程序无法把它的值输出控制台，然而，Line #01 Line #03都能输出，只是Line #02和Line #03所输出的值是错误的而已。实际的应用中，我们一般不会看到如此低级且显而易见的错误，但复杂的实际应用中，不恰当地使用联合的确会为我们带来不少的麻烦。 5 第二次尝试：改进型的联合模拟。一般情况下，联合作为一种内部数据的储存手段，没有必要让客户端对其有所了解，更没必要让客户端直接使用它。为了使我们的联合模拟用起来更安全，我们需要对它进行一番包装：/ Code #06class Program static void Main(string args) Token t = new Token(); Console.WriteLine(t); Console.WriteLine(t.GetTokenValue(); t.SetTokenValue(K); Console.WriteLine(t); Console.WriteLine(t.GetTokenValue(); public struct Token private TokenValue tv; private TokenKind tk; public void SetTokenValue(char c) tk = TokenKind.CharValue; tv._cval = c; public void SetTokenValue(int i) tk = TokenKind.IntValue; tv._ival = i; public void SetTokenValue(double d) tk = TokenKind.DoubleValue; tv._dval = d; public object GetTokenValue() switch (tk) case TokenKind.CharValue: return tv._cval; case TokenKind.IntValue: return tv._ival; case TokenKind.DoubleValue: return tv._dval; default: return NoValue; public override string ToString() switch (tk) case TokenKind.CharValue: return tv._cval.ToString(); case TokenKind.IntValue: return tv._ival.ToString(); case TokenKind.DoubleValue: return tv._dval.ToString(); default: return NoValue; StructLayout(LayoutKind.Explicit, Size = 8) private struct TokenValue FieldOffset(0)public char _cval; FieldOffset(0)public int _ival; FieldOffset(0)public double _dval; private enum TokenKind NoValue, CharValue, IntValue, DoubleValue /*/* * Output: * NoValue * NoValue * K * K * */由于Token是值类型，实例化时，对应的成员（tv和tk）会自动被赋予与之对应的零值。此时，tv._cval为0、tv._ival和tv._dval均为0（实质上它们是同一个值在不同的类型中的表现）。而tk也被自动赋予0：tk = 0;这里，你无需进行强类型转换，0是任何枚举的默认初始值，.NET会负责把0转换成对应的枚举类型。例如，你可以：/ Code #07System.DayOfWeek d = 0;Console.WriteLine(d);该代码能正确输出Sunday一个星期的第一天（西方习惯），也是该枚举的第一个成员。一般情况下，0对应着枚举的第一个成员（除非你在定义枚举的时候，把第一个成员指定为别的值，并为别的成员赋予0值）。这样，我们就不难看出代码的输出是合理的，而且代码本身也是安全的。 6 别在模拟的联合中同时使用值类型和引用类型！到目前为止，我们所模拟的联合中，所有的成员都是值类型，如果我们为它加入一个引用类型，例如String呢？/ Code #08StructLayout(LayoutKind.Explicit, Size=8)struct TokenValue FieldOffset(0) public char _cval; FieldOffset(0) public int _ival; FieldOffset(0) public double _dval; FieldOffset(0) public string _sval;这样，Code #06的代码运行时就会提示出错：Could not load type TokenValue from assembly UnionLab, Version=1.0.1820.28531, Culture=neutral, PublicKeyToken=null because it contains an object field at offset 0 that is incorrectly aligned or overlapped by a non-object field. TokenValue初始化的时候，_cval、_ival和_dval都能正确的被赋予对应的零值，而这些零值也能被统一起来（别的值就不行了）。但_sval不同，它是引用类型，如果没有显示初始化为某个有意义的值，它将被赋予null值！这个null值跟之前的有意义的零值是不能被统一起来的！所以，要么你就去掉这个_sval，要么就重新定义它的起始位置（当然，你也得去掉Size=8！），但这样一来，TokenValue就不再称得上联合的模拟了。在C+中，我们可以直接使用指针来解决这个问题，如Code #05，但C#中，问题就会变得有点辣手。如果你有兴趣的话，可以使用不安全代码（Unsafe code）来试着解决，但这样一来，你的代码又会引入一些新的问题。 7 为什么要在C#里面模拟这个用处不大的东西？NEW相信很多人都有这样一个疑问：为什么要在C#里面模拟这个用处不大的东西？就我个人来说，我始终坚信事物的存在必定有它的理由，否则就不会存在。其实，联合在我们平时的编码中的确很少用到，但在某些情况下，我们必须使用它！.NET为我们提供巨大的便利的同时，也不忘让我们能够与非托管代码交互。你知道，早期的Win32 API使用C来完成的，这里面就有很多函数的参数是以联合的形式表达的，要在C#中跟这些API交互，我们就得“尊重”原函数的用法约束。 8 终点与起点的交界处。回顾整个探索旅程，我们为了使用联合节省空