深入理解C#指针之美深入理解C#指针之美

一、简洁优美的代码
二、C# 指针基础
三、几种常用用法

1、使用Dispose模式管理非托管内存
2、使用 stackalloc 在栈中分配内存
3、模拟C中的union（联合体）类型

四、C# 指针操作的几个缺点

五、引入模板机制

六、迭代器

七、风情万种的Lambda表达式

八、与C/C++的比较

九、接下来的工作

总结

一、简洁优美的代码本来初稿这节写了好几百字，将C#指针开发与C/C++开发，Java开发、D语言开发等进行对比，阐述理念。不过现在觉得，阐述一个新事物，没有比用例子更直接的了。
例子：打开一张图像，先将它转化为灰度图像，再进行二值化（变成黑白图像），然后进行染色，将白色的像素变成红色。以上每一个过程都弹出窗体显示出来。
代码截图更有视觉冲击力：

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二、C# 指针基础在C#中使用指针，需要在项目属性中选中“Allow unsafe code”：

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接着，还需要在使用指针的代码的上下文中使用unsafe关键字，表明这是一段unsafe代码。可以用unsafe { } 将代码围住，如：

unsafe{new ImageArgb32(path).ShowDialog("原始图像").ToGrayscaleImage().ShowDialog("灰度图像").ApplyOtsuThreshold().ShowDialog("二值化图像").ToImageArgb32().ForEach((Argb32* p) => { if (p->Red == 255) *p = Argb32.RED; }).ShowDialog("染色"); }

也可在方法或属性上加入unsafe关键字，如：

private unsafe void btnSubmit_Click(object sender, EventArgs e)

也可在class或struct 上加上unsafe 关键字，如：

public partial unsafe class FrmDemo1 : Form

指针配合fixed关键字可以操作托管堆上的值类型，如：

public unsafe class Person{public int Age; public void SetAge(int age){fixed (int* p = &Age){*p = age; }}}

指针可以操作栈上的值类型，如：

int age = 0; int* p = &age; *p = 20; MessageBox.Show(p->ToString());

指针也可以操作非托管堆上的内存，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 用来从非托管堆上分配内存。System.Runtime.InteropServices.Marshal.FreeHGlobal(handle)用来释放从非托管对上分配的内存。这样我们就可以避开GC，自己管理内存了。

三、几种常用用法
1、使用Dispose模式管理非托管内存
如果使用非托管内存，建议用Dispose模式来管理内存，这样做有以下好处：可以手动dispose来释放内存；可以使用using 关键字开管理内存；即使不释放，当Dispose对象被GC回收时，也会收回内存。
下面是Dispose模式的简单例子：

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 在栈中分配内存
C# 提供了stackalloc 关键字可以直接在栈中分配内存，一般情况下，使用栈内存会比使用堆内存速度快，且栈内存不用担心内存泄漏。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、模拟C中的union（联合体）类型
使用 StructLayout 可以模拟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; }

这个和指针无关，非unsafe环境下也可使用，有很多用途，比如，序列化和反序列化，求hash值 ……

四、C# 指针操作的几个缺点 C# 指针操作的缺点也不少。下面一一道来。
缺点1：只能用来操作值类型
.Net中，引用类型的内存管理全部是由GC代劳，无法取得其地址，因此，无法用指针来操作引用类型。所以，C#中指针操作受到值类型的限制，其中，最主要的一点就是：值类型无法继承。
这一点看起来是致命的，其实不然。首先，需要用到指针来提高性能的地方，其类型是很少变动的。其次，在OO编程中有个名言：组合优于继承。使用组合，我们可以解决很多需要继承的地方。第三，最后，我们还可以使用引用类型来对值类型打包，进行继承，权衡两者的比重来完成任务。
缺点2：泛型不支持指针类型
C# 中泛型不支持指针类型。这是个很大的限制，在后面的篇幅中，我会引入模板机制来克服这个问题。同理，迭代器也不支持指针，因此，我们需要自己实现迭代机制。
缺点3：没有函数指针
幸运的是，C# 中有delegate，delegate 支持支持指针类型，lambda 表达式也支持指针。后面会详细讲解。

五、引入模板机制没有泛型，但是我们可以模拟出一套类似C++的模板机制出来，进行代码复用。这里大量的用到了C#的语法糖和IDE的支持。
先介绍原理：
partial 关键字让我们可以将一个类的代码分在多个文件，那么可以这样分：第一个文件是我们自己写的代码，第二个文件用来描述模板，第三个文件，用来根据模板自动生成代码。
三个文件这样取名字的：

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XXXClassHelper 是模板定义文件，XXXClassHelper_Csmacro.cs 是自动生成的模板实现代码。
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}}

这里用到了using 语法糖。using 关键字，可以为一个类型取别名。使用 VS 的 #region 来定义所使用的模板文件的位置。上面这个文件中，引用了4个模板文件：ImageClassHelper_Template.cs，Image_Template.cs，Image_Paramid_Argb_Templete.cs 和 TPixel_Template.cs。
只看其中的一个模板文件 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{private Image_Template(): base(1,1){throw new NotImplementedException(); }#region mixinpublic unsafe TPixel* Start { get { return (TPixel*)this.StartIntPtr; } }public unsafe TPixel this[int index]{get{return Start[index]; }set{Start[index] = value; }}…… #endregion} }

这个模板文件是编译通过的。也使用了 using 关键字来对使用的类型取别名，同时，在代码中，有一段用 #region mixin 和 #endregion 环绕的代码。只需要写一个工具，将模板文件中 #region mixin 和 #endregion 环绕的代码提取出来，替换到模板定义中 #region include "Image_Template.cs" 和 #endregion 之间，生成第三个文件 ClassHelper_Csmacro.cs 即可实现模板机制。由于都使用了 using 关键字对类型取别名，因此，ClassHelper_Csmacro.cs 文件也是可以编译通过的。在不同的模板定义中，令同样的符号来代表不同的类型，实现了模板代码的公用。
上面机制可以全部自动化。Csmacro 是我写的一个工具，可以完成上面的过程。将它放在系统路径下，然后在项目的build event中添加pre-build 指令即可。Csmacro程序在代码包的lib的目录下。

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如此实装，我们就有模板用了！一切自动化，就好像内置的一样。强类型、有编译器进行类型约束，减少出错的可能。调试也很容易，就和调试普通的C#代码一样，不存在C++中的模板的难调试问题。缺点嘛，就是没有C++中模板的语法优美，但是，也看的过去，至少比C中的宏好看多了是吧。
参照上面对模板的实现，完全可以定义出一套C#的宏出来。没这样做，是因为没这个需求。
下面是一个完整的例子，为 Person 类和 Cat 类添加模板扩展方法（非扩展方法也可类似添加），由于这个方法有指针，无法用泛型实现：

void SetAge(this T item,int* age)

首先，建一个可编译通过的模板类 Template.cs：

namespace Introduce.Hide {using T = Person; public static class Template{#region mixinpublic static unsafe void SetAge(this T item,int* age){item.Age = *age; }#endregion} }

我在命名空间中加入了 Hide，只要不引用这个命名空间，这个扩展方法不会出现对程序产生干扰。
接着，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} }

为了节省篇幅，我省略了命名空间的引用，实际代码中是有命名空间的引用的。下载包里包含了全部的代码。接下来，编译一下，哈哈，编译通过。
且慢，怎么看不到编译生成的两个 Csmacro.cs 文件呢？
这两个文件已经生成了，需要手动将它们添加到项目中，只用添加一次即可。添加进来，再编译一下，哈哈，通过。
这个例子虽小，可不要小看模板啊，在Geb.Image库里，大量使用了模板：

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有了模板，只用维护公共代码。

六、迭代器下面来实现迭代器。这里，要放弃使用foreach，返回古老的迭代器模式，来访问图像的每一个像素：

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，测试性能，这个迭代器比单纯的while循环慢很多。对一个100万像素的图像，将其每一个像素值的Red分量设为200，循环100遍，使用迭代器在我的电脑上耗时242 ms，直接使用循环耗时 72 ms。我测试了很多种方案，均未得到和直接循环性能近似的迭代器实现方案。
没有办法，只好对迭代器来打折了，只进行部分抽象（这已经不能算迭代器了，但这里仍沿用这个名称）：

public unsafe struct ItArgb32{public unsafe Argb32* Start; public unsafe Argb32* End; public int Step(Argb32* ptr){return 1; }}

产生迭代器的代码：

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; }

测试性能和直接循环性能几乎一样。有人可能要问，你这样有什么优势？和for循环有什么区别？
这个例子中当然看不出优势，换个例子就可以看出来了。
在图像编程中，有 ROI（Region of Interest，感兴趣区域）的概念。比如，在下面这张女王出场的画面中，假设我们只对她的头部感兴趣（ROI区域），只对该区域进行处理（标注为红色区域）。
对ROI区域创建一个迭代器，用来迭代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; }}

这个ROI迭代器又可以产生一个ItArgb32迭代器，来迭代该行中的像素。
产生ROI迭代器的代码如下，为了简化代码，我这里没有进行ROI的验证：

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; }

性能测试表明，使用ROI迭代器进行迭代和直接进行循环，性能一致。为一副图像添加ROI字段，设置ROI值来控制不同的处理区域，然后用ROI迭代器进行迭代，比直接使用循环要方便得多。

七、风情万种的Lambda表达式接下来，来看看C#指针最有风情的一面——Lambda表达式。 C# 里 delegate 支持指针，下面这种写法是没有问题的：

void ActionOnPixel(TPixel* p);

对于图像处理，我定义了许多扩展方法，ForEach是其中的一种，下面是它的模板定义：

public unsafe static UnmanagedImage ForEach(this UnmanagedImage src, ActionOnPixel handler){TPixel* start = (TPixel*)src.StartIntPtr; TPixel* end = start + src.Length; while (start != end){handler(start); ++start; }return src; }

让我们用lambda表达式对图像迭代，将每像素的Red分量设为200吧，一行代码搞定：

img.ForEach((Argb32* p) => { p->Red = 200; });

用ForEach测试，对100万像素的图像设置Red通道值为200，循环100次，我的测试结果是 400 ms，约是直接循环的 4-5 倍。可见这是个性能不高的操作（其实也够高了，100万象素，循环100遍，耗时400ms），可以在对性能要求不是特别高时使用。

八、与C/C++的比较我测试了很多场景，C# 下指针性能约是 C/C++ 的 70-80%，性能差距，可以忽略。
相对于C/C++来说，C#无法直接操作硬件是其遗憾，这种情况，可以使用C/C++写段小程序来弥补，不过，我还没遇到这种场景。很多情况都可以P/Invoke解决。
做图像的话，很多时候需要使用显卡加速，如使用CUDA或OpenCL，幸运的是，C#也可以直接写CUDA或OpenCL代码，但是功能可能会受到所用的库的限制。也可以用传统方式写CUDA或OpenCL代码，再P/Invoke调用。如果用传统的C/C++开发的话，也需要做同样的工作。
和C比较：
这套方案比C的抽象程度高，我们有模板，有lambda表达式，还有一大票的语法糖。在类库上，比C的类库完善的多。我们还有反射，有命名空间等等一大票的东西。
和C++比较：
这套方案的抽象程度比C++要低一些。毕竟，值类型无法继承，模板机制比C++ 差一点。但是在生产力上比C++要高很多。抛开C++那一大票陷阱不说，以秒计算的编译速度就够让C++程序员流口水的。当我们在咖啡馆里约会喝咖啡时，C++程序员还正端着一杯咖啡坐在电脑前等待程序编译结束。

九、接下来的工作接下来的工作主要有两个：
内联工具：C# 的内联还不够强大。需要一个内联工具，对想要内联的方法使用特性标记一下，在编译结束后，在IL代码层面内联。
翻译工具：移动开发是个痛。如何将C#的代码翻译成C/C++的代码，在缺乏.Net的运行时下运行？
这两个工作都不紧要。C#内联效果不好的地方（这种情况很少），可以手动内联。至于移动开发嘛，在哥的一云三端大计中，C# 的定位是云图像开发（C#+CUDA），三端中，桌面运用是用C#和Flash开发，Web和移动应用使用Flash开发，没有C#的事情。
C/C++ 呢？更没有它们的位置啦！不对，还是有的。用它们来开发Flash应用的核心算法！够另类吧！

总结 【深入理解C#指针之美】本篇文章就到这里了，希望可以帮助到你，也希望你能够多多关注脚本之家的更对内容！