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在C#中处理结构内的数组源代码分析

王朝c#·作者佚名  2008-05-19
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在 C/C++ 代码中,大量掺杂着包括普通类型和数组的结构,如定义 PE 文件头结构的 IMAGE_OPTIONAL_HEADER 结构定义如下:

以下内容为程序代码:

typedef struct _IMAGE_DATA_DIRECTORY {

DWORD

VirtualAddress;

DWORD

Size;

} IMAGE_DATA_DIRECTORY, *PIMAGE_DATA_DIRECTORY;

#define IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES

16

typedef struct _IMAGE_OPTIONAL_HEADER {

WORD

Magic;

//...

DWORD

NumberOfRvaAndSizes;

IMAGE_DATA_DIRECTORY DataDirectory[IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES];

} IMAGE_OPTIONAL_HEADER32, *PIMAGE_OPTIONAL_HEADER32;

在 C/C++ 中这样在结构中使用数组是完全正确的,因为这些数组将作为整个结构的一部分,在对结构操作时直接访问结构所在内存块。但在 C# 这类语言中,则无法直接如此使用,因为数组是作为一种特殊的引用类型存在的,如定义:

以下内容为程序代码:

public struct IMAGE_DATA_DIRECTORY

{

public uint VirtualAddress;

public uint Size;

}

public struct IMAGE_OPTIONAL_HEADER

{

public const int IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES = 16;

public ushort Magic;

//...

public uint NumberOfRvaAndSizes;

public IMAGE_DATA_DIRECTORY DataDirectory[IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES];

}

在 C# 中这样定义结构中的数组是错误的,会在编译时获得一个 CS0650 错误:

以下为引用:

error CS0650: 语法错误,错误的数组声明符。若要声明托管数组,秩说明符应位于变量标识符之前

如果改用 C# 中引用类型的类似定义语法,如

以下内容为程序代码:

public struct IMAGE_OPTIONAL_HEADER

{

public const int IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES = 16;

public ushort Magic;

//...

public uint NumberOfRvaAndSizes;

public IMAGE_DATA_DIRECTORY[] DataDirectory = new IMAGE_DATA_DIRECTORY[IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES];

}

则得到一个 CS0573 错误:

以下为引用:

error CS0573: “IMAGE_OPTIONAL_HEADER.DataDirectory” : 结构中不能有实例字段初始值设定项

因为结构内是不能够有引用类型的初始化的,这与 class 的初始化工作不同。如此一来只能将数组的初始化放到构造函数中,而且结构还不能有无参数的缺省构造函数,真是麻烦,呵呵

以下内容为程序代码:

public struct IMAGE_OPTIONAL_HEADER

{

public const int IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES = 16;

public ushort Magic;

public uint NumberOfRvaAndSizes;

public IMAGE_DATA_DIRECTORY[] DataDirectory;

public IMAGE_OPTIONAL_HEADER(IntPtr ptr)

{

Magic = 0;

NumberOfRvaAndSizes = 0;

DataDirectory = new IMAGE_DATA_DIRECTORY[IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES];

}

}

这样一来看起来似乎能使了,但如果使用 Marshal.SizeOf(typeof(IMAGE_OPTIONAL_HEADER)) 看看就会发现,其长度根本就跟 C/C++ 中定义的长度不同。问题还是在于结构中数组,虽然看起来此数组是定义在结构内,但实际上在此结构中只有一个指向 IMAGE_DATA_DIRECTORY[] 数组类型的指针而已,本应保存在 DataDirectory 未知的数组内容,是在托管堆中。

于是问题就变成如何将引用类型的数组,放在一个值类型的结构中。

解决的方法有很多,如通过 StructLayout 显式指定结构的长度来限定内容:

以下内容为程序代码:

[StructLayout(LayoutKind.Sequential, Size=XXX)]

public struct IMAGE_OPTIONAL_HEADER

{

public const int IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES = 16;

public ushort Magic;

public uint NumberOfRvaAndSizes;

public IMAGE_DATA_DIRECTORY DataDirectory;

}

注意这儿 StructLayout 中 Size 指定的是整个结构的长度,因为 DataDirectory 已经是最后一个字段,故而数组的后 15 个元素被保存在未命名的堆栈空间内。使用的时候稍微麻烦一点,需要一次性读取整个结构,然后通过 unsafe 代码的指针操作来访问 DataDirectory 字段后面的其他数组元素。

这种方法的优点是定义简单,但使用时需要依赖 unsafe 的指针操作代码,且受到数组字段必须是在最后的限制。当然也可以通过 LayoutKind.Explicit 显式指定每个字段的未知来模拟多个结构内嵌数组,但这需要手工计算每个字段偏移,比较麻烦。

另外一种解决方法是通过 Marshal 的支持,显式定义数组元素所占位置,如

以下内容为程序代码:

[StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack=1)]

public struct IMAGE_OPTIONAL_HEADER

{

public const int IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES = 16;

public ushort Magic;

public uint NumberOfRvaAndSizes;

[MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst=IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES)]

public IMAGE_DATA_DIRECTORY[] DataDirectory;

}

这种方法相对来说要优雅一些,通过 Marshal 机制支持的属性来定义值数组语义,使用起来与普通的数组区别不算太大。上述数组定义被编译成 IL 定义:

以下内容为程序代码:

.field public

marshal( fixed array [16]) valuetype IMAGE_DATA_DIRECTORY[] DataDirectory

虽然类型还是 valuetype IMAGE_DATA_DIRECTORY[],但因为 marshal( fixed array [16]) 的修饰,此数组已经从引用语义改为值语义。不过这样做还是会受到一些限制,如不能多层嵌套、使用时性能受到影响等等。

除了上述两种在结构定义本身做文章的解决方法,还可以从结构的操作上做文章。

此类结构除了对结构内数组的访问外,主要的操作类型就是从内存块或输入流中读取整个结构,因此完全可以使用 CLR 提高的二进制序列化支持,通过实现自定义序列化函数来完成数据的载入和保存,如:

以下内容为程序代码:

[Serializable]

public struct IMAGE_OPTIONAL_HEADER : ISerializable

{

public const int IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES = 16;

public ushort Magic;

public uint NumberOfRvaAndSizes;

public IMAGE_DATA_DIRECTORY[] DataDirectory;

public IMAGE_OPTIONAL_HEADER(IntPtr ptr)

{

Magic = 0;

NumberOfRvaAndSizes = 0;

DataDirectory = new IMAGE_DATA_DIRECTORY[IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES];

}

[SecurityPermissionAttribute(SecurityAction.Demand,SerializationFormatter=true)]

public virtual void GetObjectData(SerializationInfo info, StreamingContext context)

{

// 完成序列化操作

}

}

这种解决方法可以将结构的载入和存储,与结构的内部表现完全分离开来。虽然结构内部保存的只是数组引用,但用户并不需关心。但缺点是必须为每个结构都编写相应的序列化支持代码,编写和维护都比较麻烦。

与此思路类似的是我比较喜欢的一种解决方法,通过一个公共工具基类以 Reflection 的方式统一处理,如:

以下内容为程序代码:

public class IMAGE_OPTIONAL_HEADER : BinaryBlock

{

public const int IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES = 16;

public ushort Magic;

public uint NumberOfRvaAndSizes;

public IMAGE_DATA_DIRECTORY[] DataDirectory = new IMAGE_DATA_DIRECTORY[IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES];

}

注意原本的 struct 在这儿已经改为 class,因为通过这种方式已经没有必要非得固守值类型的内存模型。BinaryBlock 是一个公共的工具基类,负责通过 Reflection 提供类型的载入和存储功能,如

以下内容为程序代码:

public class BinaryBlock

{

private static readonly ILog _log = LogManager.GetLogger(typeof(BinaryBlock));

public BinaryBlock()

{

}

static public object LoadFromStream(BinaryReader reader, Type objType)

{

if(objType.Equals(typeof(char)))

{

return reader.ReadChar();

}

else if(objType.Equals(typeof(byte)))

{

return reader.ReadByte();

}

//...

else if(objType.Equals(typeof(double)))

{

return reader.ReadDouble();

}

else if(objType.IsArray)

{

// 处理数组的情况

}

else

{

foreach(FieldInfo field in Cla

 
 
 
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