在C#中处理结构内的数组源代码分析

　　 
　　在 C/C++ 代码中，大量掺杂着包括普通类型和数组的结构，如定义 PE 文件头结构的 IMAGE_OPTIONAL_HEADER 结构定义如下：
　　
　　以下内容为程序代码:
　　
　　typedef struct _IMAGE_DATA_DIRECTORY {
　　DWORD　 VirtualAddress;

　　DWORD　 Size;
　　} IMAGE_DATA_DIRECTORY, *PIMAGE_DATA_DIRECTORY;
　　
　　#define IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES　　16
　　
　　typedef struct _IMAGE_OPTIONAL_HEADER {
　　
　　WORD　　Magic;
　　
　　//...
　　
　　DWORD　 NumberOfRvaAndSizes;
　　IMAGE_DATA_DIRECTORY DataDirectory[IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES];
　　
　　} IMAGE_OPTIONAL_HEADER32, *PIMAGE_OPTIONAL_HEADER32;
　　
　　在 C/C++ 中这样在结构中使用数组是完全正确的，因为这些数组将作为整个结构的一部分，在对结构操作时直接访问结构所在内存块。但在 C# 这类语言中，则无法直接如此使用，因为数组是作为一种特殊的引用类型存在的，如定义：
　　以下内容为程序代码:
　　
　　public struct IMAGE_DATA_DIRECTORY
　　{
　　public uint VirtualAddress;
　　public uint Size;
　　}
　　
　　public struct IMAGE_OPTIONAL_HEADER
　　{
　　public const int IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES = 16;
　　
　　public ushort Magic;
　　
　　//...
　　
　　public uint NumberOfRvaAndSizes;
　　
　　public IMAGE_DATA_DIRECTORY DataDirectory[IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES];
　　}
　　
　　在 C# 中这样定义结构中的数组是错误的，会在编译时获得一个 CS0650 错误：
　　
　　以下为引用：
　　
　　error CS0650: 语法错误，错误的数组声明符。若要声明托管数组，秩说明符应位于变量标识符之前
　　
　　如果改用 C# 中引用类型的类似定义语法，如
　　以下内容为程序代码:
　　
　　public struct IMAGE_OPTIONAL_HEADER
　　{
　　public const int IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES = 16;
　　
　　public ushort Magic;
　　
　　//...
　　
　　public uint NumberOfRvaAndSizes;
　　
　　public IMAGE_DATA_DIRECTORY[] DataDirectory = new IMAGE_DATA_DIRECTORY[IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES];
　　}
　　
　　则得到一个 CS0573 错误：
　　
　　以下为引用：
　　
　　error CS0573: “IMAGE_OPTIONAL_HEADER.DataDirectory” : 结构中不能有实例字段初始值设定项
　　
　　因为结构内是不能够有引用类型的初始化的，这与 class 的初始化工作不同。如此一来只能将数组的初始化放到构造函数中，而且结构还不能有无参数的缺省构造函数，真是麻烦，呵呵
　　以下内容为程序代码:
　　
　　public struct IMAGE_OPTIONAL_HEADER
　　{
　　public const int IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES = 16;
　　
　　public ushort Magic;
　　
　　public uint NumberOfRvaAndSizes;
　　
　　public IMAGE_DATA_DIRECTORY[] DataDirectory;
　　
　　public IMAGE_OPTIONAL_HEADER(IntPtr ptr)
　　{
　　Magic = 0;
　　NumberOfRvaAndSizes = 0;
　　
　　DataDirectory = new IMAGE_DATA_DIRECTORY[IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES];
　　}
　　}
　　
　　这样一来看起来似乎能使了，但如果使用 Marshal.SizeOf(typeof(IMAGE_OPTIONAL_HEADER)) 看看就会发现，其长度根本就跟 C/C++ 中定义的长度不同。问题还是在于结构中数组，虽然看起来此数组是定义在结构内，但实际上在此结构中只有一个指向 IMAGE_DATA_DIRECTORY[] 数组类型的指针而已，本应保存在 DataDirectory 未知的数组内容，是在托管堆中。
　　于是问题就变成如何将引用类型的数组，放在一个值类型的结构中。
　　
　　解决的方法有很多，如通过 StructLayout 显式指定结构的长度来限定内容：
　　以下内容为程序代码:
　　
　　[StructLayout(LayoutKind.Sequential, Size=XXX)]
　　public struct IMAGE_OPTIONAL_HEADER
　　{
　　public const int IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES = 16;
　　
　　public ushort Magic;
　　
　　public uint NumberOfRvaAndSizes;
　　
　　public IMAGE_DATA_DIRECTORY DataDirectory;
　　}
　　
　　注意这儿 StructLayout 中 Size 指定的是整个结构的长度，因为 DataDirectory 已经是最后一个字段，故而数组的后 15 个元素被保存在未命名的堆栈空间内。使用的时候稍微麻烦一点，需要一次性读取整个结构，然后通过 unsafe 代码的指针操作来访问 DataDirectory 字段后面的其他数组元素。
　　这种方法的优点是定义简单，但使用时需要依赖 unsafe 的指针操作代码，且受到数组字段必须是在最后的限制。当然也可以通过 LayoutKind.Explicit 显式指定每个字段的未知来模拟多个结构内嵌数组，但这需要手工计算每个字段偏移，比较麻烦。
　　
　　另外一种解决方法是通过 Marshal 的支持，显式定义数组元素所占位置，如
　　以下内容为程序代码:
　　
　　[StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack=1)]
　　public struct IMAGE_OPTIONAL_HEADER
　　{
　　public const int IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES = 16;
　　
　　public ushort Magic;
　　
　　public uint NumberOfRvaAndSizes;
　　
　　[MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst=IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES)]
　　public IMAGE_DATA_DIRECTORY[] DataDirectory;
　　}
　　
　　这种方法相对来说要优雅一些，通过 Marshal 机制支持的属性来定义值数组语义，使用起来与普通的数组区别不算太大。上述数组定义被编译成 IL 定义：
　　以下内容为程序代码:
　　
　　.field public　marshal( fixed array [16]) valuetype IMAGE_DATA_DIRECTORY[] DataDirectory
　　
　　虽然类型还是 valuetype IMAGE_DATA_DIRECTORY[]，但因为 marshal( fixed array [16]) 的修饰，此数组已经从引用语义改为值语义。不过这样做还是会受到一些限制，如不能多层嵌套、使用时性能受到影响等等。
　　
　　除了上述两种在结构定义本身做文章的解决方法，还可以从结构的操作上做文章。
　　
　　此类结构除了对结构内数组的访问外，主要的操作类型就是从内存块或输入流中读取整个结构，因此完全可以使用 CLR 提高的二进制序列化支持，通过实现自定义序列化函数来完成数据的载入和保存，如：
　　以下内容为程序代码:
　　
　　
　　[Serializable]
　　public struct IMAGE_OPTIONAL_HEADER : ISerializable
　　{
　　public const int IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES = 16;
　　
　　public ushort Magic;
　　
　　public uint NumberOfRvaAndSizes;
　　
　　public IMAGE_DATA_DIRECTORY[] DataDirectory;
　　
　　public IMAGE_OPTIONAL_HEADER(IntPtr ptr)
　　{
　　Magic = 0;
　　NumberOfRvaAndSizes = 0;
　　
　　DataDirectory = new IMAGE_DATA_DIRECTORY[IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES];
　　}
　　
　　[SecurityPermissionAttribute(SecurityAction.Demand,SerializationFormatter=true)]
　　public virtual void GetObjectData(SerializationInfo info, StreamingContext context)
　　{
　　// 完成序列化操作
　　}
　　}
　　
　　这种解决方法可以将结构的载入和存储，与结构的内部表现完全分离开来。虽然结构内部保存的只是数组引用，但用户并不需关心。但缺点是必须为每个结构都编写相应的序列化支持代码，编写和维护都比较麻烦。
　　
　　与此思路类似的是我比较喜欢的一种解决方法，通过一个公共工具基类以 Reflection 的方式统一处理，如：
　　以下内容为程序代码:
　　
　　public class IMAGE_OPTIONAL_HEADER : BinaryBlock
　　{
　　public const int IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES = 16;
　　
　　public ushort Magic;
　　
　　public uint NumberOfRvaAndSizes;
　　
　　public IMAGE_DATA_DIRECTORY[] DataDirectory = new IMAGE_DATA_DIRECTORY[IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES];
　　}
　　
　　注意原本的 struct 在这儿已经改为 class，因为通过这种方式已经没有必要非得固守值类型的内存模型。BinaryBlock 是一个公共的工具基类，负责通过 Reflection 提供类型的载入和存储功能，如
　　以下内容为程序代码:
　　
　　public class BinaryBlock
　　{
　　private static readonly ILog _log = LogManager.GetLogger(typeof(BinaryBlock));
　　
　　public BinaryBlock()
　　{
　　}
　　
　　static public object LoadFromStream(BinaryReader reader, Type objType)
　　{
　　if(objType.Equals(typeof(char)))
　　{
　　return reader.ReadChar();
　　}
　　else if(objType.Equals(typeof(byte)))
　　{
　　return reader.ReadByte();
　　}
　　//...
　　else if(objType.Equals(typeof(double)))
　　{
　　return reader.ReadDouble();
　　}
　　else if(objType.IsArray)
　　{
　　// 处理数组的情况
　　}
　　else
　　{
　　foreach(FieldInfo field in Cla

原文转自：http://www.ltesting.net