深入浅出C#结构体——封装以太网心跳包的结构为例

  • 2020 年 3 月 31 日
  • 筆記

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1.应用背景

底端设备有大量网络报文（字节数组）：心跳报文，数据采集报文，告警报文上报。需要有对应的报文结构去解析这些字节流数据。

2.结构体解析

由此，我第一点就想到了用结构体去解析。原因有以下两点：

2.1.结构体存在栈中

类属于引用类型，存在堆中；结构体属于值类型，存在栈中，在一个对象的主要成员为数据且数据量不大的情况下，使用结构会带来更好的性能。

2.2.结构体不需要手动释放

属于非托管资源，系统自动管理生命周期，局部方法调用完会自动释放，全局方法会一直存在。

3.封装心跳包结构体

心跳协议报文如下：

对应结构体封装如下：

    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 1)] // 按1字节对齐      public struct TcpHeartPacket      {          [MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 4)]   //结构体内定长数组        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;//数据体          [MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 4)]        public byte[] tail;      }

4.结构体静态帮助类

主要实现了字节数组向结构体转换方法，以及结构体向字节数组的转换方法。

    public class StructHelper      {          //// <summary>          /// 结构体转byte数组          /// </summary>          /// <param name="structObj">要转换的结构体</param>          /// <returns>转换后的byte数组</returns>          public static byte[] StructToBytes(Object structObj)          {              //得到结构体的大小              int size = Marshal.SizeOf(structObj);              //创建byte数组              byte[] bytes = new byte[size];              //分配结构体大小的内存空间              IntPtr structPtr = Marshal.AllocHGlobal(size);              //将结构体拷到分配好的内存空间              Marshal.StructureToPtr(structObj, structPtr, false);              //从内存空间拷到byte数组              Marshal.Copy(structPtr, bytes, 0, size);              //释放内存空间              Marshal.FreeHGlobal(structPtr);              //返回byte数组              return bytes;          }            /// <summary>          /// byte数组转结构体          /// </summary>          /// <param name="bytes">byte数组</param>          /// <param name="type">结构体类型</param>          /// <returns>转换后的结构体</returns>          public static object BytesToStuct(byte[] bytes, Type type)          {              //得到结构体的大小              int size = Marshal.SizeOf(type);              //byte数组长度小于结构体的大小              if (size > bytes.Length)              {                  //返回空                  return null;              }              //分配结构体大小的内存空间              IntPtr structPtr = Marshal.AllocHGlobal(size);              try              {                  //将byte数组拷到分配好的内存空间                  Marshal.Copy(bytes, 0, structPtr, size);                  //将内存空间转换为目标结构体                  return Marshal.PtrToStructure(structPtr, type);              }              finally              {                  //释放内存空间                  Marshal.FreeHGlobal(structPtr);              }            }        }

5.New出来的结构体是存在堆中还是栈中？

有同事说new出来的都会放在堆里，我半信半疑。怎么去确定，new出来的结构体到底放在哪里有两种方式，一种是使用Visual Studio的调试工具查看，这种方法找了好久没找到怎么去查看，路过的高手烦请指点下；第二种方法就是查看反编译dll的IL（Intermediate Language）语言。查看最终是以怎样的方式去实现的。不懂IL想了解IL的可以看此篇文章

5.1.不带形参的结构体构造

  • 调用代码
  //初始化结构体    TcpHeartPacket tcpHeartPacket = new TcpHeartPacket();    //将上报的心跳报文ReceviveBuff利用结构体静态帮助类StructHelper的BytesToStuct方法将字节流转化成结构体    tcpHeartPacket = (TcpHeartPacket)StructHelper.BytesToStuct(ReceviveBuff, tcpHeartPacket.GetType());


从对应的IL代码可以看出只是initobj，并没有newobj，其中newobj表示分配内存，完成对象初始化；而initobj表示对值类型的初始化。

  • newobj用于分配和初始化对象；而initobj用于初始化值类型。因此，可以说，newobj在堆中分配内存，并完成初始化；而initobj则是对栈上已经分配好的内存，进行初始化即可，因此值类型在编译期已经在栈上分配好了内存。

  • newobj在初始化过程中会调用构造函数；而initobj不会调用构造函数，而是直接对实例置空。

  • newobj有内存分配的过程；而initobj则只完成数据初始化操作。

initobj 的执行结果是，将tcpHeartPacket中的引用类型初时化为null，而基元类型则置为0。
综上，new 结构体（无参情况）是放在栈中的，只是做了null/0初始化。

5.2.带形参的结构体构造

接下来看下带形参的结构体存放位置。
简化版带形参的结构体如下：

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

调用如下：

//带形参结构体new初始化    TcpHeartPacket tcpHeartPacket = new TcpHeartPacket(0x1);  //类的new做对比    IWorkThread __workThread = new WorkThread();

IL代码如下：

形成了鲜明的对比，new带参的结构体。IL只是去call（调用）ctor（结构体的构造函数），而下面的new类则直接就是newobj，实例化了一个对象存到堆空间去了。

综合5.1,5.2表明结构体的new确实是存在栈里的，而类的new是存在堆里的。

6.性能测试

测试结果如下：


使用结构体解析包需要几十个微妙，其实效率还是很差的。我用类封装成包，解析了，只需要几个微妙，性能差5到10倍。

7.原因分析

主要时间消耗在了BytesToStuct方法，代码详见4

  • 心跳包里面用了很多byte[]字节数组，而字节数组本身需要在堆里开辟空间；
  • 该方法进行了装箱拆箱操作；
  • 分配内存在堆上，还是在堆上进行了copy操作；
    拆装箱的IL代码如下：

装箱使用的box指令，取消装箱是 unbox.any 指令

8.下一期:结构体与类封装的心跳包性能对比测试

当数据比较大的时候，结构体这种数据复制机制会带来较大的开销。也难怪微软给出的准则中有一条：“当类型定义大于16字节时不要选用struct”。最终我也选择了类来封装以太网包的解析，性能可以达到微妙级，会在下一篇文章《结构体与类封装的心跳包性能对比测试》中作详细描述。

9.IL工具使用分享

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本文链接：https://www.cnblogs.com/JerryMouseLi/p/12606920.html

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