今天我們要完結(jié) C# 2 的語法。今天講的是 C# 2 里最后一個新語法特性，叫定長緩沖區(qū)字段（Fixed-Sized Buffer）。

本節(jié)內(nèi)容和 C 語言關(guān)系較大。如果你對 C 語言不熟悉，本節(jié)內(nèi)容可能需要你重新復(fù)習(xí)一下 C 語言里有關(guān)結(jié)構(gòu)體語法的內(nèi)容。當(dāng)然，也不必學(xué)得非常熟悉，這里大概直到結(jié)構(gòu)體在 C 語言里是啥語法，啥機(jī)制就夠了。下面對于一些 C 語言的細(xì)節(jié)會有闡述和描述，所以不必?fù)?dān)心細(xì)節(jié)記不住的問題。

Part 1 引例

C# 的靈活性不只是新的語法，它對 C/C++ 語言里的指針也有保留。不過，可能你看過本教程之前關(guān)于指針的相關(guān)語法，可以發(fā)現(xiàn)指針并不是那么容易使用，還必須配合 fixed 關(guān)鍵字，綁定一個數(shù)組和一個指針變量的方式，才能使用指針，因為還得考慮避免 GC（垃圾回收器）的回收機(jī)制。因此，指針仍舊不方便。C# 2 誕生了第一種擴(kuò)展指針語法的機(jī)制。

考慮一種情況，C/C++ 里允許在結(jié)構(gòu)體（C# 里叫結(jié)構(gòu)）里存儲數(shù)組元素。比如學(xué)生類型：

C 語言里是這么書寫的。typedef 表示類型定義，這樣定義就不必每次你都要把 struct 關(guān)鍵字給帶上；而 _Bool 是 C 語言的語法，表示布爾類型。因為 C 語言原生語法里不支持布爾類型，都是用的整數(shù)來表示真假的，因此 C 語言為了兼容和擴(kuò)展語法，C99 標(biāo)準(zhǔn)里誕生了布爾類型，并定義布爾類型使用的關(guān)鍵字為 _Bool。

順帶一說。_Bool 也可以寫成 bool，不過不論是 _Bool 也好還是 bool 也好，你都需要導(dǎo)入 stdbool.h 這個頭文件，即必須使用 C 語言的 #include 指令導(dǎo)入該頭文件，才能使用 bool 或者 _Bool。而要說 _Bool 和 bool 的區(qū)別，其實一個 C 語言的 #define 就可以搞定：#define bool _Bool。是的，我們直接定義 bool 作為 _Bool 的代替。所以，它們是這么個關(guān)系。

在 C# 里，我們無法做到。一來是因為 C# 有字符串語法，因此你可以這么寫：

注意這里的類型，我用了 string 就可以代替掉原本的 char 數(shù)組在結(jié)構(gòu)里的東西了。當(dāng)然，public 字段有些別扭，因此你也可以封裝一波：

當(dāng)然，有了封裝機(jī)制所以寫起來比起 C 語言要復(fù)雜一些。

正是因為 C# 里有 string 來代替 C 語言的 char 類型的數(shù)組，因此 C# 完全不必需要類似 C 語言的結(jié)構(gòu)體里自帶的 char Name[10] 類似的語法。不過，因為 string 是引用類型，因此該數(shù)據(jù)類型在 Student 類型里是以地址數(shù)值存儲起來的。但 C 語言里，這樣的字段是“平鋪”的。所謂的“平鋪”，指的是這個 Name 在 C 語言結(jié)構(gòu)體里是整個數(shù)組元素全部都位于 Student 的內(nèi)存空間里的。換句話說，C 語言里字符是 1 字節(jié)，所以 char Name[10]; 語句等于是聲明了一個 10 字節(jié)的內(nèi)存空間，也就是說，可以存儲 10 個字符的內(nèi)存大小。而這 10 字節(jié)，全部都是在 Student 的內(nèi)存空間里的，而不像是 C# 那樣，存儲的是地址數(shù)值。這是 C 語言和 C# 在底層上，這種聲明形式和過程的區(qū)別。

那么，一些時候我們?nèi)孕枰x類似 C 語言這樣的“平鋪”版的字段信息，可 C# 原生語法做不到。怎么辦呢？這就需要今天講解的新語法了：fixed 字段。

我們使用類似 C 語言里的這個語法來表達(dá)平鋪字段信息，而它在 C# 里，為和普通的字段作區(qū)分，需要對這樣的字段使用 fixed 關(guān)鍵字，那么，完全等價 C 語言里的 Student 結(jié)構(gòu)體類型的 C# 語法在 C# 2 里就可以寫出來了：

這個 Name 就是 C 語言等價的平鋪字段了。我們把 C# 里這個平鋪的字段叫做緩沖區(qū)字段（Buffer）。

這里需要你注意 unsafe 關(guān)鍵字。這是 C# 里對 C 語言這種字段唯一的一個需要注意的地方。而為什么它需要 unsafe 呢？下面我們就要說說，它的使用方式了。

Part 2 緩沖區(qū)字段的用法

怎么使用緩沖區(qū)字段呢？還記得 C 語言的語法嗎？C 語言我們使用 malloc 在堆內(nèi)存里開辟一個內(nèi)存空間，存儲 Student 類型的變量。然后往里面賦值。

我們可以使用對象初始化器的語法，來對 student 變量賦值。這樣的賦值過程是棧內(nèi)存存儲的，因此不必?fù)?dān)心釋放內(nèi)存的問題。但如果要存儲到堆內(nèi)存里的話，這個語法就不合理了，你就只能這么寫：

這種用到了 malloc 函數(shù)，因此它存儲到堆內(nèi)存里。而堆內(nèi)存的對象是需要手動內(nèi)存釋放的，因此你需要用 free 函數(shù)自己釋放內(nèi)存空間。那么，C# 的語法呢？

下面我們對于這個代碼實現(xiàn)說說細(xì)節(jié)吧。

2-1 第 12 行代碼：unsafe 修飾符

注意到 Main 方法的聲明上也有 unsafe。這是因為 Student 的緩沖區(qū)字段 Name 在使用的時候是按指針來用的，因此你需要加 unsafe 啟用不安全代碼的使用。稍后第 16 行代碼的對應(yīng)解釋文字里會給出說明。

2-2 第 14 行代碼：Student 類型實例化

第 14 行代碼里，student 變量使用了 new 語句來實例化。.NET 實際上也有和 C 語言里和 malloc 函數(shù)等價的方法，位于 NativeMemory 靜態(tài)類型里，包含一個叫做 Alloc 的方法，是一樣的。不過它需要傳入一個全新的數(shù)據(jù)類型叫 nuint，它是 C# 9 開始才能使用的數(shù)據(jù)類型，因此這里沒辦法做到完全等價，只能做到盡量等價。

如果你非得問區(qū)別的話，malloc 函數(shù)是不初始化內(nèi)存塊的，也就是說里面是垃圾數(shù)值；而 new 語句會初始化內(nèi)存塊，更像是 C 語言里的 calloc 函數(shù)。如果你不想初始化內(nèi)存的話，你需要使用一個泛型方法：Unsafe.SkipInit。代碼是這樣的：

是的，使用了 out 參數(shù)來完成帶出實例的方式。這個 SkipInit 方法在底層啥事都沒有做，只是故意從 out 參數(shù)上故意返回了一個未初始化的實例對象。而這里的 SkipInit 方法就和 malloc 更為類似了。

2-3 第 15 行代碼：fixed 固定字符串

C# 的原生語法還不支持固定一個字符串。在 C# 里，字符串是特殊的數(shù)據(jù)類型，它和 C 語言的字符串在設(shè)計上并不相同。C 語言的字符串是由字符數(shù)組呈現(xiàn)和表達(dá)的，它一般記作 char *s 或 char s[]。但是 C# 的字符串是一個全新的數(shù)據(jù)類型 string（BCL 名稱為 System.String）。

正是因為設(shè)計上不同，因此 C# 不支持直接對字符串使用 fixed 語句。要知道，fixed 語句用在數(shù)組的固定上，防止對象提前被 GC 回收導(dǎo)致使用指針變得危險。就是因為字符串此時已經(jīng)不再是字符數(shù)組，因此字符串不能直接固定。那么怎么辦呢？我們可以用到 ToCharArray 這個實例方法。我們在字符串實例后跟上 ToCharArray 實例方法調(diào)用，就可以將 string 轉(zhuǎn)為 char[] 數(shù)據(jù)類型。

可你會問我，為啥我非轉(zhuǎn)字符數(shù)組不可？下面就得說下一行代碼了。

2-4 第 16 行代碼：實現(xiàn)拷貝內(nèi)存塊的過程

C# 沒有像是 C 語言那樣靈活操作指針的操作，因此很多 C 語言有的函數(shù)，C# 里不一定有。當(dāng)然，也有一部分是有的，只不過也因為用得很少而導(dǎo)致鮮有人知道它們。

這里我們要說一個方法，叫 Unsafe.CopyBlock。它是靜態(tài)方法，位于 Unsafe 類型里（這不是廢話嗎）。這個 CopyBlock 方法的目的是按內(nèi)存塊拷貝數(shù)據(jù)，它在邏輯上等價于你用 for 循環(huán)對數(shù)組挨個賦值差不多的效果。不過 CopyBlock 更加簡潔，而且效率更高，因為它用的是指針在操作。

Unsafe.CopyBlock 方法一共有兩個重載版本，一個是傳入帶 ref 修飾符的，一個則是傳入 void* 類型的。這里我們指針這個重載版本。這個重載版本下有三個參數(shù)。第一個參數(shù)是 void* destination，看參數(shù)名就看得出來它表示的是目標(biāo)內(nèi)存塊的首地址。它表示你需要把數(shù)據(jù)拷貝到哪里去。第二個參數(shù)是 void* source，它表示復(fù)制什么內(nèi)存塊的數(shù)據(jù)。這個方法的作用是把內(nèi)存塊 1 的數(shù)據(jù)原封不動復(fù)制到內(nèi)存塊 2 里，那么這里所謂的“內(nèi)存塊 1”就是這個 source 參數(shù)了，而“內(nèi)存塊 2”就是 destination 參數(shù)了。第三個參數(shù)需要指定拷貝多少字節(jié)的內(nèi)存空間。

現(xiàn)在，我們要把名字 "Sunnie" 字符串表達(dá)的字符數(shù)組拷貝到 student.Name 字段里去，而 Name 已經(jīng)是一個字符類型的指針了，因此按照調(diào)用 Unsafe.CopyBlock 重載的規(guī)則，第二個參數(shù)也不得不是一個指針類型的數(shù)值。所以，我們需要第 15 行的代碼，將字符數(shù)組 char[] 固定一下，得到 char* 類型的指針，才可操作起來。得到 p 之后，我們第一個參數(shù)和第二個參數(shù)的數(shù)值就有了：destination 參數(shù)上直接傳入 student.Name 字段，而 source 參數(shù)上則傳入 p 即可。那么第三個參數(shù)是多少呢？"Sunnie" 的長度，乘以每一個字符占據(jù)的內(nèi)存字節(jié)數(shù)，就是拷貝的長度了。因此，第三個參數(shù)的表達(dá)式應(yīng)為 sizeof(char) * "Sunnie".Length。當(dāng)然，這里我們知道 "Sunnie" 字符串長度為 6，因此直接寫 sizeof(char) * 6 甚至是 12 就可以。特別注意，sizeof(char) 表示一個字符占據(jù)多大的內(nèi)存空間，在 C# 里，這個結(jié)果為 2 而不是 C 語言的 1，特別需要你注意。所以 sizeof(char) * 6 等于是在計算 2 * 6，因此是 12，而不是 6。

總之，就是因為這樣的原因，Unsafe.CopyBlock(student.Name, p, sizeof(char) * 6); 這個語句長這樣才是這個原因。這里就可以看出來為什么有 unsafe 修飾符了。student.Name 這個緩沖區(qū)字段，在 C# 里是按指針形式使用的，即使它寫成數(shù)組的寫法，但操作的時候是按指針操作的，因此包裹緩沖區(qū)字段的類型需要有 unsafe 修飾符，而使用期間也需要有 unsafe 修飾符提供不安全代碼操作的環(huán)境。

2-5 第 21 行代碼：new string(char*) 構(gòu)造器

在 C# 原生語法里，字符串有一個構(gòu)造器，傳入 char* 參數(shù)即可將 char* 表示起來的字符數(shù)組改造為字符串?dāng)?shù)據(jù)類型的實例。你無需關(guān)心它的實際長度，只要上下文里這個 char* 指向的實例是安全、正常使用的（比如上面這樣用就是正常安全地在使用），你就無需擔(dān)心什么默認(rèn)沒有 '\0' 啊之類的問題。C# 也確實根本不關(guān)心你字符數(shù)組末尾有無 '\0'，字符串的處理機(jī)制非常特殊，它使得 C# 里即使你在字符串中間有 '\0' 也是 OK 的。

至此我們就給大家解釋了一下，真正意義上如何使用緩沖區(qū)字段的基本語法和使用規(guī)則?？偠灾芎唵我痪湓挘?/span>緩沖區(qū)字段是把 T[] 當(dāng)成 T* 在使用?？聪逻\行結(jié)果吧。

Part 3 使用限制

使用這種語法的數(shù)據(jù)類型相當(dāng)狹窄。不是 C# 做不到，是 C# 沒有考慮去做那些復(fù)雜的類型。哪些數(shù)據(jù)類型可以用來使用到 fixed 字段里去呢？

• 布爾類型：bool；

• 字符類型：char；

• 整數(shù)類型：byte、sbyte、ushort、short、uint、int、ulong、long；

• 浮點數(shù)類型：float、double。

是的，僅限內(nèi)置的值類型。string 和 object 作為內(nèi)置引用類型，也是無法使用 fixed 的，因為它們不定長；而這些數(shù)據(jù)類型都是定長的，而且是永遠(yuǎn)都可以立馬得到內(nèi)存占的字節(jié)數(shù)。不過請你注意，在內(nèi)置值類型里，decimal 沒有在這個列表里出現(xiàn)，因為 decimal 占據(jù) 16 個字節(jié)不說，它的處理也相對很復(fù)雜：它是通過基本數(shù)據(jù)類型搭建起來的二次數(shù)據(jù)類型（所謂的二次數(shù)據(jù)類型就是，將基本數(shù)據(jù)類型通過基本操作封裝起來的新的數(shù)據(jù)類型，比如我們自定義的結(jié)構(gòu)和類之類的），因此它也不支持 fixed 修飾。

雖然種種跡象表明，decimal 非常特殊——它有自己的常量和字面量語法，但 decimal 是用三個字段（分別是 int 類型、uint 類型和 ulong 類型）搭建起來的數(shù)據(jù)類型。如果你想知道，decimal 類型到底是如何實現(xiàn)的，你可以通過這里查看它的源代碼，了解它的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。

Part 4 緩沖區(qū)字段的底層實現(xiàn)

終于到了說明定長緩沖區(qū)字段的底層實現(xiàn)的環(huán)節(jié)了。既然定長緩沖區(qū)字段是直接 fixed 關(guān)鍵字來搞定的，那么它的底層是如何做到的呢？

我們?nèi)耘f使用前文介紹的示例代碼來介紹：

而它會被 C# 編譯器改寫成這樣：

我們挨個來分析完整代碼。

4-1 FixedBuffer 嵌套結(jié)構(gòu)

C# 將 fixed 改造為了一個實際的數(shù)據(jù)類型，這個數(shù)據(jù)類型就是這里我們看到的 FixedBuffer 類型。這個類型相當(dāng)神奇：它只有一個字段，只占據(jù)兩個字節(jié)的內(nèi)存空間，因為它只包含一個 char 類型的字段。但是我想告訴你的是，這個 FixedBuffer 類型實際上占據(jù) 20 個字節(jié)的內(nèi)存空間。為啥是 20？因為 sizeof(char) * 10 是 20，而這個 10 就是我們原先在 fixed 字段里設(shè)定的這個 10，表示有 10 個 char 的實例的平鋪內(nèi)存空間。

可是，一個字段怎么會改變整個數(shù)據(jù)類型的所占字節(jié)數(shù)呢？這怎么可能？答案其實是它頭上的 [StructLayout] 特性標(biāo)記。這個特性標(biāo)記我們以前從未講過，但在 C# 原生語法下就已經(jīng)有這個特性了。

因為整篇文章的結(jié)構(gòu)和體系講解的安排，我把這個特性的講解內(nèi)容放在了稍后的下一個部分（Part 5）里。如果你想要立刻完整了解它的具體實現(xiàn)和用法，你可以暫時跳轉(zhuǎn)到下一個部分去看這些內(nèi)容，然后待了解完后回到這里繼續(xù)。

接著是 [CompilerGenerated] 特性標(biāo)記。這個已經(jīng)出現(xiàn)很多次，我都不必多說了吧。它表示和用來暗示，這段代碼是編譯器自動生成的，我們作為用戶不建議使用這個特性，而編譯器會使用這個特性給它生成的代碼的部分上打上這個標(biāo)記，用來區(qū)分和辨別哪些代碼是編譯器生成，哪些代碼是用戶自己寫的代碼。

最后，[UnsafeValueType] 特性標(biāo)記表示，這個類型是有明顯溢出使用的現(xiàn)象的數(shù)據(jù)類型?？梢钥吹?，一個 char 字段只占據(jù) 2 個字節(jié)的內(nèi)存空間，而整個數(shù)據(jù)類型占 20 個字節(jié)，顯然有 18 個字節(jié)在我們這里聲明的地方是“看不到”的。我們把這樣的類型叫做存在潛在溢出（Potential Overflow）的類型。按照基本的使用規(guī)則，只要類型會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，我們就應(yīng)該標(biāo)記整個特性到結(jié)構(gòu)上方，可以引導(dǎo) CLR（公共語言運行時，也就是真正意義上的、運行 C# 程序的環(huán)境和框架）知道和了解這個數(shù)據(jù)類型的真實使用目的。而這個特性是 C# 編譯器加上去的，而實際上這個特性一般也只有編譯器才會用，我們作為用戶一般是接觸不到它的。因此，這里了解一下即可。

4-2 Student 結(jié)構(gòu)的 Name 字段

既然都生成了類型了，那么自然字段也會跟著變。當(dāng)然，變化也不多。這里的 fixed char Name[10] 直接翻譯成 FixedBuffer Name 就可以了。

你想想，一個 FixedBuffer 占 20 個字節(jié)，我只需要給出基本的字段 char，我直接取字段的地址，就相當(dāng)于得到的是整個 char Name[10] 的類似字符數(shù)組概念下的首地址。那么這么聲明完全是有效且可行的。所以，字段是這么改變的。

另外，這個字段是特殊的，因為它是編譯器改變過的字段，因此總得有什么辦法區(qū)分一下。這里用到了 [FixedBuffer] 特性來完成。這個特性標(biāo)記，標(biāo)記到字段上，表示的是這個字段的基本數(shù)據(jù)信息。比如原先寫的是 fixed char Name[10]，那么 char 類型和 10 都會在特性上有所體現(xiàn)。仔細(xì)看看這個類型就可以發(fā)現(xiàn)，它帶有兩個參數(shù)來實例化特性的實例。第一個參數(shù)是 Type 類型，表示和指示這個 fixed 字段是啥類型的，而第二個參數(shù)就是指代多少個元素了。

那么，這個被編譯器改良過的 Student 類型我們就說完了。下面我們來說說 Main 方法里的代碼。

4-3 Main 方法里的代碼

下面我們來說說，Main 方法里到底都寫了一些啥。

首先 Student 類型實例化了一個實例，變量為 student。接著，我們通過了 Unsafe.CopyBlock 來拷貝復(fù)制了整個“字符數(shù)組”的元素。這次我們需要兩個地址，第二個參數(shù)（source 參數(shù)）的地址數(shù)值仍然不變，原來是 p 現(xiàn)在還是 p。但是第一個參數(shù)需要改造一下了。因為現(xiàn)在我們使用的 Name 類型改為了我們嵌套的結(jié)構(gòu) FixedBuffer 類型，因此我們需要通過該類型唯一的字段 FixedElementField 來訪問和獲取整個 20 字節(jié)的內(nèi)存空間。那么，既然類似字符數(shù)組的存儲機(jī)制，那么我們只需獲取該字段的地址，是不是就等于是在說，獲取了整個“字符數(shù)組”的首地址?。恳虼?，翻譯的代碼里是用 &student.Name.FixedElementField 來做到的。這個寫法非常有意思，我們從未使用過對字段取地址的過程，而我們通過之前的 C# 教程僅會通過取地址符 & 去取臨時變量的地址。實際上，獲取字段的地址在 C# 語法里也是支持的，下面給出一個最精簡的、使用字段地址的代碼：

這里我們必須實例化對象后，賦值給臨時變量，才可以使用取地址符來獲取字段的地址。換句話說，你不能直接 &new S().Field。因為 new S() 是一個表達(dá)式，它產(chǎn)生的實例你無法獲取地址，畢竟你是直接對字段取地址的。從另一個角度而言，new S() 是表達(dá)式，它是一個結(jié)果，它不是一個變量。我們能獲取信息，只能通過變量或者參數(shù)來獲取，而 new S() 不是參數(shù)也不是變量。

拆行就可以了：因為 s 此時是一個臨時變量，由我們自身定義和控制。而 S 的特殊性，它只包含一個 int 字段，該字段是長度可以預(yù)知的。既然 Field 字段能預(yù)知其內(nèi)存占據(jù)的字節(jié)數(shù)，那么自然而然地，S 類型也就能得到了：因為它自身只包含這一個可預(yù)知長度的類型作為字段出現(xiàn)，別的啥都沒有，你自然就可以猜想到，S 總長度應(yīng)該只需要有存儲 Field 字段的內(nèi)存空間就夠了，因此是 4 個字節(jié)。所以，&s.Field 合法的原因就在于，s 能夠安全地獲取地址，那么也就說明了 Field 實例字段的地址也能安全地獲取了。

回到剛才的例子。表達(dá)式 &student.Name.FixedElementField 合法的原因在于，&student 是合法的表達(dá)式，因此它的 Name 屬性的地址能獲?。欢?&student.Name 的地址可以正確獲取，因此將其當(dāng)作變量來看，&student.Name.FixedElementField 就是可以獲取的，因為 FixedElementField 它也是一個字段，和這里所說的 Field 字段是完全相同的思路。

順帶一說。啥樣的地址不能正常獲取呢？引用類型。引用類型是經(jīng)常受 GC 控制的。因為 GC 不定期或定期回收垃圾內(nèi)存的時候，會做一次緊湊操作，此時會改變所有移動過位置的對象的地址。而值類型也不一定不受 GC 控制，按照最簡單的定義規(guī)則來看，只有包含 .NET 內(nèi)置值類型（這里由于 decimal 的復(fù)雜性，我們暫時把它除開不看）的字段的數(shù)據(jù)類型，才可以不受 GC 控制。但是，如果這樣的數(shù)據(jù)類型作為了引用類型的一個字段的話，這又會受到 GC 控制了。

能獲取地址的對象，只能是參數(shù)和臨時變量，而且這個參數(shù)和臨時變量的類型，得是內(nèi)置值類型，或只包含這些內(nèi)置值類型封裝起來的結(jié)構(gòu)。只有這些類型的對象，才能獲取地址；當(dāng)然，這些類型不一定要獲取對象本身的地址，如果它們包含字段，也可以獲取它們自身的字段的地址。

稍微注意一下第三個參數(shù) 12U。千萬別忘了它實際上是 uint 類型的字面量。這里第三個參數(shù)確實需要我們傳入的是 uint 類型的數(shù)值，而因為 sizeof(char) 和 6 都是常量，因此它們的乘積也是常量。而常量編譯器會自動按類型上去推斷和處理，所以我們無需在這里寫成 (uint)(sizeof(char) & 6)。但是如果 6 我們寫的是 "Sunnie".Length 的話，因為它不再是常量，因此這種情況下需要 uint 類型的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換：(uint)(sizeof(char) * "Sunnie".Length)。

剩下的代碼都是可以自己看懂的部分了，就不作解釋了。

代碼的底層就說完了?？偠灾覀兛梢愿爬ㄆ饋恚?/span>fixed 字段被翻譯為了一個嵌套結(jié)構(gòu)類型，并直接把 fixed 字段的實際數(shù)據(jù)類型改成了這個嵌套結(jié)構(gòu)類型；在使用緩沖區(qū)字段的時候，會被自動改成獲取這個緩沖字段下的 FixedElementField 字段的地址。進(jìn)而來計算和獲取整個緩沖區(qū)內(nèi)存下的數(shù)據(jù)。

下面我們來說說，之前從未接觸到的 StructLayoutAttribute。

Part 5 StructLayoutAttribute 控制結(jié)構(gòu)的內(nèi)存布局規(guī)則

其實，這個特性早在原生語法里就有。但是因為語法特殊性，它用到了的是特性的語法是屬于反射的內(nèi)容，而它操作的不安全的代碼又是指針的內(nèi)容，而改變布局行為的具體操作則是面向?qū)ο蟮膬?nèi)容?？偟膩碚f，它是一個綜合性很強(qiáng)的數(shù)據(jù)類型，因此我們無法在原生語法里提及它有關(guān)的任何東西。那么，既然有了今天內(nèi)容的鋪墊，我們也學(xué)習(xí)了特性的知識點了，那么這樣的特性就可以學(xué)習(xí)一下了。對于一些大量使用指針運算和處理機(jī)制的時候（比如 Socket 編程之類），這個特性就顯得尤為重要。

5-1 StructLayoutAttribute 是什么？它的目的是什么？

[StructLayout] 特性標(biāo)記一般用于一個結(jié)構(gòu)（或者是一個類）上面，表示你想要自己定義和排版類型數(shù)據(jù)成員的布局規(guī)則。舉個例子，給你一個收納箱，你需要把東西放進(jìn)去。東西的擺放方法有很多種，C# 會選擇一種執(zhí)行代碼效率適中、并且占據(jù)內(nèi)存大小適中的模式來作為布局的默認(rèn)情況。在這種情況下，類型可能會為了提升運算執(zhí)行性能，會補(bǔ)充和插入一些空白內(nèi)存空間補(bǔ)充和占位，它們稱為填充比特或者填充位（Padding Bits），而這種現(xiàn)象則稱為位填充（Bit-Padding）。

注意，雖然這個特性的名字叫 struct layout attribute，但它不只是用于 struct（結(jié)構(gòu)）。它確實可以用于類上面。只是，用在結(jié)構(gòu)上是最正常普遍的做法。稍后我們會說明，為什么它可以用于類上作為特性標(biāo)記。

考慮一種情況。假設(shè)我們把一個內(nèi)存空間看成收納箱，字段則作為補(bǔ)充和放入的內(nèi)存空間的占據(jù)實際內(nèi)存大小的數(shù)據(jù)。那么，假設(shè)一個數(shù)據(jù)類型是這樣的：

假設(shè)我給出這 6 個數(shù)據(jù)成員，它們都會存儲數(shù)據(jù)進(jìn)去，因此實例化的時候，會針對它們產(chǎn)生合適的內(nèi)存空間大小，存儲它們。那么一個合適的存儲方式可以是這樣的：

首先 Name 是指針存儲，string 是引用類型，是以指針（作為地址數(shù)值）存儲的。如果你的電腦是 64 位的話，這個指針數(shù)值大小就恰好是 8 字節(jié)的內(nèi)存空間。因此我這里展示的就是 64 位的情況。接著，Age 是 int 類型，占 4 個字節(jié)的內(nèi)存空間；Chinese、Math 和 English 均為 float 類型，都也分別占據(jù) 4 字節(jié)內(nèi)存空間，因此我們可以先排好它們。最后 IsBoy 是 bool 類型的，它只占 1 個字節(jié)，因此我們拿出 1 字節(jié)放進(jìn)去后，發(fā)現(xiàn)有 3 個字節(jié)無法放數(shù)據(jù)；即使我們把 Chinese 的前三個字節(jié)放在圖中第 13 到 16 字節(jié)里，那么也會多出 1 個字節(jié)。在 .NET 系統(tǒng)里，如果有單獨的 1 字節(jié)的數(shù)據(jù)的話，放進(jìn)去總會多出 3 個字節(jié)。那么這個時候，IsBoy 后會自動補(bǔ)充上 3 個字節(jié)為填充位。填充位的數(shù)據(jù)沒有任何意義，只是為了保證每一個字段的開始是從 4 的倍數(shù)的位置開始的。為啥非要這么干呢？因為索引和找地址方便快捷啊。我 4 個字節(jié) 4 個字節(jié)地移動指針，和我移動若干次 4 字節(jié)指針然后改成移動 1 字節(jié)指針了，是不是會覺得別扭？

于是，.NET 聰明地處理了這一點。填充位就是用來干這個的。當(dāng)然，經(jīng)過填充位的處理后，整個數(shù)據(jù)類型占據(jù)的字節(jié)數(shù)就會比原本只存儲數(shù)據(jù)成員總共占據(jù)的字節(jié)數(shù)要大一些。比如原本是 8 + 4 * 4 + 1 = 25 字節(jié)，現(xiàn)在可能就變?yōu)?8 + 4 * 4 + 4 = 28 字節(jié)了。

當(dāng)然，也可以這樣：

這種情況下，填充位就有 7 字節(jié)了，這樣的話，總大小就變?yōu)榱?32 字節(jié)了。

如果你想要故意改動布局規(guī)則（比如我想故意先把 Chinese、Math 和 English 三個字段放在開始，放在 Name 的前面），那么我們就可以使用 [StructLayout] 來干這個事情。

5-2 構(gòu)造器參數(shù)：LayoutKind 枚舉

下面我們來從構(gòu)造器參數(shù)下手，講解如何變更布局模式。

這個特性在標(biāo)記的時候會用到一個參數(shù)，叫做布局的模式，它的數(shù)據(jù)類型是一個叫做 LayoutKind 的類型。LayoutKind 類型一共有三種可能數(shù)值：

• LayoutKind.Sequential（特征數(shù)值為 0）：表示對象的數(shù)據(jù)成員將按照聲明的格式自動挨個進(jìn)行排版，并帶有填充位處理；

• LayoutKind.Explicit（特征數(shù)值為 2）：表示對象的數(shù)據(jù)成員將按照用戶自己指定的方式來排版，不帶填充位處理；

• LayoutKind.Auto（特征數(shù)值為 3）：表示對象的數(shù)據(jù)成員將自動按照 CLR 提供的算法自動處理，并自動補(bǔ)充填充位。

可以從介紹文字看出，只有 Explicit 這種模式下，不會有填充位的概念，因為這種布局規(guī)則是由用戶自己規(guī)定和定義的，它全權(quán)交給我們了；但別的兩種則都會按照固有的操作補(bǔ)充填充位。比如說，在 C# 處理的時候，我們這里看到的 Sequential 模式就對應(yīng)的是之前的那個圖片上的布局。

用法也很簡單，直接在類型的頭上標(biāo)記這個特性即可：

一般正常的情況是默認(rèn) Auto 模式，所以如果你要標(biāo)記特性又不想改變模式的話，就寫 Auto 即可。這種模式和不寫特性是一樣的行為。所有結(jié)構(gòu)的默認(rèn)布局規(guī)則都是 Auto 模式。

5-3 FieldOffsetAttribute 特性

為了能夠靈活變動和布局各個字段的位置，我們需要一個叫做 [FieldOffset] 的特性標(biāo)記。這個特性用于字段，它用來控制字段的偏移量（Offset）。所謂的偏移量，指的是這個字段的布局的位置相對于最開始的地址數(shù)值差了幾個字節(jié)單位。

比如這個圖片的布局模式下，Age 的偏移量為 8，因為它是相對于數(shù)據(jù)類型開頭一共 8 字節(jié)；換句話說，它是從第 8 個字節(jié)開始布局 Age 字段。那么 IsBoy、Chinese、Math 和 English 字段的偏移量都分別為 12、16、20 和 24。

如果我們要自己規(guī)定布局規(guī)則，那么偏移量這個概念就必不可少。我們使用 [FieldOffset] 特性標(biāo)記放在每一個字段上，標(biāo)識這個字段的偏移量。這樣就可以達(dá)到自定義布局的規(guī)則了。

比如上面這個圖里給的這個布局模式，我們需要這么改一下代碼：

我們需要改變第一行代碼里傳入的 LayoutKind 枚舉類型的數(shù)值。這種布局規(guī)則需要我們是顯式指定的，所以這里設(shè)置的模式應(yīng)為 Explicit 模式。接著，我們需要給每一個數(shù)據(jù)成員明確偏移量。注意，C# 規(guī)定你必須在布局的時候給出所有數(shù)據(jù)成員的偏移量。少一個都不行。

這樣的話就是合適的、正確的使用方式。當(dāng)然，這里要注意一下的是，這種顯式給出偏移量的情況一般只用于固定長度的數(shù)據(jù)類型作為數(shù)據(jù)成員的類型。這個話有點繞，你看這個例子里有一個 string，它的長度就是不固定的。我們顯式給出偏移量就會導(dǎo)致一些潛在的 bug。比如電腦以后出現(xiàn)有 128 位的情況的時候，指針可能就是 16 字節(jié)了，此時你還是偏移量 8 的話，數(shù)據(jù)就不正常了。

5-4 命名參數(shù)：CharSet 字段

CharSet 字段是第一個我們需要學(xué)習(xí)的 [StructLayout] 的命名參數(shù)。它一般也只用在布局規(guī)則里帶有 char 和 string 數(shù)據(jù)類型的時候。

要知道，C# 有時候會和 C/C++ 交互代碼使用。在這種時候，字符和字符串大小并不相同就會導(dǎo)致交互失敗或者出現(xiàn)異常情況。C# 的 char 默認(rèn)都是雙字節(jié)（兩個字節(jié)）的，但 C/C++ 里（尤其是 C 語言），char 是單字節(jié)（1 個字節(jié)）的。

這交互起來不出毛病么？當(dāng)然會出毛病。所以，C# 提供了這個命名參數(shù)來確定和表達(dá)我字符到底需不需要在布局的時候?qū)ψ址妥址膬?nèi)容進(jìn)行特殊處理和調(diào)整。這個命名參數(shù)包含 4 種取值：

• CharSet.None（特征數(shù)值為 1）：這個情況已經(jīng)不用了。它目前等價于 CharSet.Ansi；

• CharSet.Ansi（特征數(shù)值為 2）：表示將其按 ANSI 字符串（也就是 C 語言那種單字節(jié)字符）進(jìn)行轉(zhuǎn)換；

• CharSet.Unicode（特征數(shù)值為 3）：表示將其按 Unicode 字符串（也就是 C# 現(xiàn)在用的這種雙字節(jié)字符）進(jìn)行轉(zhuǎn)換；

• CharSet.Auto（特征數(shù)值為 4）：表示處理的時候?qū)凑者\行的操作系統(tǒng)環(huán)境來臨時決定如何轉(zhuǎn)換。

因為這里沒有任何交互的功能，因此我們對此不作任何深層次的涉及。一般用 Auto 即可。

5-5 命名參數(shù)：Pack 字段

Pack 字段可以控制和設(shè)置填充位補(bǔ)充是按多少字節(jié)為倍數(shù)計算。一般來說，Pack 字段的默認(rèn)數(shù)值是 0，也就是你不設(shè)置這個命名參數(shù)的時候的數(shù)值。它表示“視操作系統(tǒng)運行環(huán)境而定”。

一般我們會設(shè)置 4 或者 8，當(dāng)然你也可以設(shè)置別的情況，但只能在如下的數(shù)值里選擇：0、1、2、4、8、16、32、64、128。是的，必須是 2 的次冪，或者 0（默認(rèn)情況）。舉個例子吧。

這種情況，Pack 為 4。

這種情況，Pack 為 8。

5-6 命名參數(shù)：Size 字段

Size 是最后一個命名參數(shù)。Size 表示整個數(shù)據(jù)類型占據(jù)多大的內(nèi)存空間。直接填入一個整數(shù)即可，它表示這個結(jié)構(gòu)的總內(nèi)存占據(jù)的字節(jié)數(shù)。這是一種強(qiáng)制規(guī)定，設(shè)置是 20，就一定是 20 字節(jié)。

可以注意到，緩沖區(qū)字段在翻譯代碼的時候，用到的就是這個 Size 命名參數(shù)，設(shè)置的就是 20。

5-7 用 [StructLayout] 模擬 C 語言的共用體

因為 [StructLayout] 可以顯式給出每一個數(shù)據(jù)成員的偏移量，因此我們可以給所有的字段設(shè)置相同數(shù)值的方式達(dá)到 C 語言里共用體的效果。

考慮一個情況。假設(shè)提供了一個空間存儲一些常用數(shù)據(jù)類型的信息，但又不想浪費內(nèi)存空間，我就可以這樣：

我們故意對兩個緩沖區(qū)字段設(shè)置相同的偏移量，這樣我們就可以存儲到一個地方上去了。這樣就模擬出了 C 語言的共用體了。這種情況的 C 語言寫法是這樣的：

這樣可以節(jié)省空間。

5-8 [StructLayout] 不只用于結(jié)構(gòu)

是的，[StructLayout] 還可以用于類。為什么一個 [StructLayout] 用于和底層交互的特性可以用于 C# 的類呢？不是結(jié)構(gòu)更合理嗎？實際上，類和結(jié)構(gòu)的布局規(guī)則是不受數(shù)據(jù)類型的類別的影響的。它不管是類還是結(jié)構(gòu)，在布局上，都是受到 CLR 的自身控制，只要字段合理，填充位合理，就能構(gòu)造出一個固定的算法。

只是說，類會受到 GC 內(nèi)存控制，因為它只能放在堆內(nèi)存里；而結(jié)構(gòu)可以放在棧內(nèi)存也可以放在堆內(nèi)存里，不一定會有 GC 的參與。但這些東西都跟內(nèi)存布局算法本身沒有關(guān)系。所以，你完全可以設(shè)置這個特性標(biāo)記到一個類上面。

那么，看完了這些，你再回頭看看那個特性設(shè)置，是不是就感覺會稍微簡單了一些呢？

至此，我們就完成了對 C# 2 所有語法的學(xué)習(xí)。下一節(jié)我們將進(jìn)入 C# 3 的新語法特性的學(xué)習(xí)。準(zhǔn)備好了嗎？