[toc] 1.應用背景底端設備有大量網路報文（位元組數組）：心跳報文，數據採集報文，告警報文上報。需要有對應的報文結構去解析這些位元組流數據。 2.結構體解析由此，我第一點就想到了用結構體去解析。原因有以下兩點： 2.1.結構體存在棧中類屬於引用類型，存在堆中；結構體屬於值類型，存在棧中，在一個 ...

1.應用背景
2.結構體解析
- 2.1.結構體存在棧中
- 2.2.結構體不需要手動釋放
3.封裝心跳包結構體
4.結構體靜態幫助類
5.New出來的結構體是存在堆中還是棧中？
- 5.1.不帶形參的結構體構造
- 5.2.帶形參的結構體構造
6.性能測試
7.原因分析
8.下一篇:類與結構體性能對比測試——以封裝網路心跳包為例
9.IL工具使用分享

1.應用背景

底端設備有大量網路報文（位元組數組）：心跳報文，數據採集報文，告警報文上報。需要有對應的報文結構去解析這些位元組流數據。

2.結構體解析

由此，我第一點就想到了用結構體去解析。原因有以下兩點：

2.1.結構體存在棧中

類屬於引用類型，存在堆中；結構體屬於值類型，存在棧中，在一個對象的主要成員為數據且數據量不大的情況下，使用結構會帶來更好的性能。

2.2.結構體不需要手動釋放

屬於托管資源，系統自動管理生命周期，局部方法調用完會自動釋放，全局方法會一直存在。

3.封裝心跳包結構體

心跳協議報文如下：

對應結構體封裝如下：

    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 1)] // 按1位元組對齊
    public struct TcpHeartPacket
    {

      [MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 4)]   //結構體內定長數組
      public byte[] head;

      public byte type;

      [MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 2)]
      public byte[] length;
     
      [MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 6)]
      public byte[] Mac;
     
      [MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 104)]
      public byte[] data;//數據體
     
      [MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 4)]
      public byte[] tail;
    }

4.結構體靜態幫助類

主要實現了位元組數組向結構體轉換方法，以及結構體向位元組數組的轉換方法。

    public class StructHelper
    {
        //// <summary>
        /// 結構體轉byte數組
        /// </summary>
        /// <param name="structObj">要轉換的結構體</param>
        /// <returns>轉換後的byte數組</returns>
        public static byte[] StructToBytes(Object structObj)
        {
            //得到結構體的大小
            int size = Marshal.SizeOf(structObj);
            //創建byte數組
            byte[] bytes = new byte[size];
            //分配結構體大小的記憶體空間
            IntPtr structPtr = Marshal.AllocHGlobal(size);
            //將結構體拷到分配好的記憶體空間
            Marshal.StructureToPtr(structObj, structPtr, false);
            //從記憶體空間拷到byte數組
            Marshal.Copy(structPtr, bytes, 0, size);
            //釋放記憶體空間
            Marshal.FreeHGlobal(structPtr);
            //返回byte數組
            return bytes;
        }

        /// <summary>
        /// byte數組轉結構體
        /// </summary>
        /// <param name="bytes">byte數組</param>
        /// <param name="type">結構體類型</param>
        /// <returns>轉換後的結構體</returns>
        public static object BytesToStuct(byte[] bytes, Type type)
        {
            //得到結構體的大小
            int size = Marshal.SizeOf(type);
            //byte數組長度小於結構體的大小
            if (size > bytes.Length)
            {
                //返回空
                return null;
            }
            //分配結構體大小的記憶體空間
            IntPtr structPtr = Marshal.AllocHGlobal(size);
            try
            {
                //將byte數組拷到分配好的記憶體空間
                Marshal.Copy(bytes, 0, structPtr, size);
                //將記憶體空間轉換為目標結構體
                return Marshal.PtrToStructure(structPtr, type);
            }
            finally 
            {
                //釋放記憶體空間
                Marshal.FreeHGlobal(structPtr);
            }

        }

    }

5.New出來的結構體是存在堆中還是棧中？

有同事說new出來的都會放在堆里，我半信半疑。怎麼去確定，new出來的結構體到底放在哪裡有兩種方式，一種是使用Visual Studio的調試工具查看，這種方法找了好久沒找到怎麼去查看，路過的高手煩請指點下；第二種方法就是查看反編譯dll的IL（Intermediate Language）語言。查看最終是以怎樣的方式去實現的。不懂IL想瞭解IL的可以看此篇文章

5.1.不帶形參的結構體構造

調用代碼

  //初始化結構體
  TcpHeartPacket tcpHeartPacket = new TcpHeartPacket();
  //將上報的心跳報文ReceviveBuff利用結構體靜態幫助類StructHelper的BytesToStuct方法將位元組流轉化成結構體
  tcpHeartPacket = (TcpHeartPacket)StructHelper.BytesToStuct(ReceviveBuff, tcpHeartPacket.GetType());

從對應的IL代碼可以看出只是initobj，並沒有newobj，其中newobj表示分配記憶體，完成對象初始化；而initobj表示對值類型的初始化。

newobj用於分配和初始化對象；而initobj用於初始化值類型。因此，可以說，newobj在堆中分配記憶體，並完成初始化；而initobj則是對棧上已經分配好的記憶體，進行初始化即可，因此值類型在編譯期已經在棧上分配好了記憶體。
newobj在初始化過程中會調用構造函數；而initobj不會調用構造函數，而是直接對實例置空。
newobj有記憶體分配的過程；而initobj則只完成數據初始化操作。

initobj 的執行結果是，將tcpHeartPacket中的引用類型初時化為null，而基元類型則置為0。
綜上，new 結構體（無參情況）是放在棧中的，只是做了null/0初始化。

5.2.帶形參的結構體構造

接下來看下帶形參的結構體存放位置。
簡化版帶形參的結構體如下：

    public struct TcpHeartPacket
    {

        public TcpHeartPacket(byte _type)
        {
            type = _type;
         }
        public byte type;

    }

調用如下：

//帶形參結構體new初始化
  TcpHeartPacket tcpHeartPacket = new TcpHeartPacket(0x1);
//類的new做對比
  IWorkThread __workThread = new WorkThread();

IL代碼如下：

形成了鮮明的對比，new帶參的結構體。IL只是去call（調用）ctor（結構體的構造函數），而下麵的new類則直接就是newobj，實例化了一個對象存到堆空間去了。

綜合5.1,5.2表明結構體的new確實是存在棧里的，而類的new是存在堆里的。

6.性能測試

測試結果如下：

使用結構體解析包需要幾十個微妙，其實效率還是很差的。我用類封裝成包，解析了，只需要幾個微妙，性能差5到10倍。

7.原因分析

主要時間消耗在了BytesToStuct方法，代碼詳見4

心跳包裡面用了很多byte[]位元組數組，而位元組數組本身需要在堆里開闢空間；
該方法進行了裝箱拆箱操作；
分配記憶體在堆上，還是在堆上進行了copy操作；
拆裝箱的IL代碼如下：

裝箱使用的box指令，取消裝箱是 unbox.any 指令

8.下一篇:類與結構體性能對比測試——以封裝網路心跳包為例

當數據比較大的時候，結構體這種數據複製機制會帶來較大的開銷。也難怪微軟給出的準則中有一條：“當類型定義大於16位元組時不要選用struct”。最終我也選擇了類來封裝乙太網包的解析，性能可以達到微妙級，會在下一篇文章《類與結構體性能對比測試——以封裝網路心跳包為例》中作詳細描述。

9.IL工具使用分享

使用ildasm工具
VS2013外部工具中添加ildasm.exe
使用dnSpy工具
dnSpy的github地址

本文鏈接：https://www.cnblogs.com/JerryMouseLi/p/12606920.html

深入淺出C#結構體——封裝乙太網心跳包的結構為例