深入淺出C#結構體——封裝乙太網心跳包的結構為例

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[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

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


版權聲明:本文為博主原創文章,遵循 CC 4.0 BY-SA 版權協議,轉載請附上原文出處鏈接和本聲明。

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