怎么在c#中利用結(jié)構(gòu)體實現(xiàn)共用體

怎么在c#中利用結(jié)構(gòu)體實現(xiàn)共用體？相信很多沒有經(jīng)驗的人對此束手無策，為此本文總結(jié)了問題出現(xiàn)的原因和解決方法，通過這篇文章希望你能解決這個問題。

理解 C 語言的共用體

在 C 語言中，共用體是一種特殊的數(shù)據(jù)類型，允許你使用相同的一段內(nèi)存空間存儲不同的成員數(shù)據(jù)。光看定義有點抽象，我們來看一個 C 語言的共用體示例：

#include <stdio.h>

union data{
    int n;
    char ch;
    short m;
};

int main(){
    union data a;
    printf("%d, %d\n", sizeof(a), sizeof(union data) );
    a.n = 0x40;
    printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);
    a.ch = '9';
    printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);
    a.m = 0x2059;
    printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);
    a.n = 0x3E25AD54;
    printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);

    return 0;
}

運行結(jié)果：

4, 4
40, @, 40
39, 9, 39
2059, Y, 2059
3E25AD54, T, AD54

要想理解上面的輸出結(jié)果，就得了解共用體各個成員在內(nèi)存中的分布。此示例中的 data 各個成員在內(nèi)存中的分布示意圖如下：

也就是說共用體的所有成員占用的是同一段內(nèi)存，所占內(nèi)存等于最長的成員占用的內(nèi)存，修改一個成員會影響其它所有成員。而結(jié)構(gòu)體的各個成員占用的是各自不同的內(nèi)存，所占內(nèi)存大于等于所有成員占用的內(nèi)存的總和（成員之間可能會存在縫隙），成員相互之間沒有影響。這是共用體和結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別。

使用 C# 實現(xiàn)共用體

和 C 語言不同的是，C# 中沒有共用體的定義。那在 C# 中如何來實現(xiàn)這種定義呢？

C# 不僅可以實現(xiàn)共用體，而且可以實現(xiàn)比 C 語言更強大的共用體。C 語言的共用體每個成員在共用的內(nèi)存中都必須從相同的起始位置開始存儲，而在 C# 中可以指定各成員的起始位置（相對偏移）。好處是，不僅可以節(jié)省內(nèi)存空間，還可以實現(xiàn)一些自動轉(zhuǎn)換操作。

以 IP 地址的存儲為例，IP 地址是以 4 段數(shù)字來表示的（如 192.168.1.10），每一段是一個字節(jié)（Byte），長度是 2^8，最大值是 255。我們可以用很多類型來表示 IP 地址，比如字符串、整型、自定義類和結(jié)構(gòu)等。但如果我們有時要訪問或修改其中一段，怎樣存儲最為方便呢？

我們可以使用 C# 的顯示布局結(jié)構(gòu)體來實現(xiàn)類似 C 語言中的共用體，以方便靈活地操作 IP 地址的每一段。實現(xiàn)方式如下：

using System.Runtime.InteropServices;

[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
public struct IpAddress
{
    // FieldOffset 表示偏移的位置（以字節(jié)為單位）
    // sizeof(int) = 4, sizeof(byte) = 1
    [FieldOffset(0)] public int Address;
    [FieldOffset(0)] public byte Byte1;
    [FieldOffset(1)] public byte Byte2;
    [FieldOffset(2)] public byte Byte3;
    [FieldOffset(3)] public byte Byte4;

    public IpAddress(int address) : this()
    {
        // 給 Address 賦值時，所有成員的值都會自動被修改
        Address = address;
    }

    public override string ToString() => $"{Byte1}.{Byte2}.{Byte3}.{Byte4}";
}

這里我們使用了 StructLayout 特性標(biāo)注了 IpAddress，聲明其內(nèi)存分布是顯示（Explicit）的，然后使用 FieldOffset 特性來標(biāo)注成員在共用內(nèi)存中相對起始位置的偏移量（以字節(jié)為單位）。

如此我們就用 C# 實現(xiàn)了和 C 語言一樣的共用體?？赡苣悴荒荞R上體會這樣實現(xiàn)的妙處，讓來我們來看一個應(yīng)用場景。

假設(shè)我要在 IP 段內(nèi)隨機生成一個 IP，比如前兩段不變，后兩段隨機，形如：192.163.X.X。使用上面定義好的“共用體”，我們可以這樣做：

var ip = new IpAddress(new Random().Next());
Console.WriteLine($"{ip} = {ip.Address}");
ip.Byte1 = 192;
ip.Byte2 = 168;
Console.WriteLine($"{ip} = {ip.Address}");

輸出結(jié)果：

47.29.249.122 = 2063146287
192.168.249.122 = 2063182016

這樣不僅節(jié)省內(nèi)存，而且可以很靈活方便地讀取和修改 IP 中的某一段。由于成員 Address 和其它成員共用內(nèi)存，所以修改一個成員，其余就自動修改。

共用體作為另一個共用體的成員

既然“共用體”是值類型，那么共用體自然也可以作為作為另一個共用體的成員。讓我們來看一個較為復(fù)雜的例子，使用共用體實現(xiàn)由協(xié)議、IP 和端口三部分組成的服務(wù)端地址的表示，形如：協(xié)議://IP:端口。

using System;
using System.Runtime.InteropServices;

[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
public struct IpAddress
{
    [FieldOffset(0)] public int Address;
    [FieldOffset(0)] public byte Byte1;
    [FieldOffset(1)] public byte Byte2;
    [FieldOffset(2)] public byte Byte3;
    [FieldOffset(3)] public byte Byte4;

    public IpAddress(int address) : this()
    {
        Address = address;
    }

    public override string ToString() => $"{Byte1}.{Byte2}.{Byte3}.{Byte4}";
}

public enum Protocol : byte { http, https, ftp, sftp, tcp };

[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
public struct Server
{
    [FieldOffset(0)] public IpAddress Address;
    [FieldOffset(4)] public ushort Port;
    [FieldOffset(6)] public Protocol Protocol;
    [FieldOffset(0)] public long Payload;

    public Server(IpAddress addr, ushort port, Protocol prot) : this()
    {
        Address = addr;
        Port = port;
        Protocol = prot;
    }

    public Server(long payload)
    {
        // 參數(shù)長度可能不足填滿每個成員，所以這里先對成員設(shè)初始值
        Address = new IpAddress(0);
        Port = 80;
        Protocol = Protocol.http;

        // 填值
        Payload = payload;
    }

    public Server Copy() =>  new Server(Payload);

    public override string ToString() => $"{Protocol}://{Address}:{Port}";
}

我們來用一段測試代碼驗證一下這個Server結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存使用情況：

var ip = new IpAddress(new Random().Next());
Console.WriteLine($"Size: {Marshal.SizeOf(ip)} bytes. Value: {ip.Address} = {ip}");

var s1 = new Server(ip, 8080, Protocol.https);
var s2 = new Server(s1.Payload);
s2.Address.Byte1 = 100;
s2.Protocol = Protocol.ftp;
Console.WriteLine($"Size: {Marshal.SizeOf(s1)} bytes. Value: {s1.Address} = {s1}");
Console.WriteLine($"Size: {Marshal.SizeOf(s2)} bytes. Value: {s2.Address} = {s2}");

輸出結(jié)果：

Size: 4 bytes. Value: 2102736192 = 64.53.85.125
Size: 8 bytes. Value: 64.53.85.125 = https://64.53.85.125:8080
Size: 8 bytes. Value: 100.53.85.125 = ftp://100.53.85.125:8080

看完上述內(nèi)容，你們掌握怎么在c#中利用結(jié)構(gòu)體實現(xiàn)共用體的方法了嗎？如果還想學(xué)到更多技能或想了解更多相關(guān)內(nèi)容，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道，感謝各位的閱讀！