一、簡(jiǎn)潔優(yōu)美的代碼

本來(lái)初稿這節(jié)寫(xiě)了好幾百字，將C#指針開(kāi)發(fā)與C/C++開(kāi)發(fā)，Java開(kāi)發(fā)、D語(yǔ)言開(kāi)發(fā)等進(jìn)行對(duì)比，闡述理念。不過(guò)現(xiàn)在覺(jué)得，闡述一個(gè)新事物，沒(méi)有比用例子更直接的了。

例子：打開(kāi)一張圖像，先將它轉(zhuǎn)化為灰度圖像，再進(jìn)行二值化（變成黑白圖像），然后進(jìn)行染色，將白色的像素變成紅色。以上每一個(gè)過(guò)程都彈出窗體顯示出來(lái)。

代碼截圖更有視覺(jué)沖擊力：

二、C# 指針基礎(chǔ)

在C#中使用指針，需要在項(xiàng)目屬性中選中“Allow unsafe code”：

接著，還需要在使用指針的代碼的上下文中使用unsafe關(guān)鍵字，表明這是一段unsafe代碼?？梢杂胾nsafe { } 將代碼圍住，如：

                     unsafe
                     {
                         new ImageArgb32(path).ShowDialog("原始圖像")
                             .ToGrayscaleImage().ShowDialog("灰度圖像")
                             .ApplyOtsuThreshold().ShowDialog("二值化圖像")
                             .ToImageArgb32()
                             .ForEach((Argb32* p) => { if (p->Red == 255) *p = Argb32.RED; })
                             .ShowDialog("染色");
                     }

也可在方法或?qū)傩陨霞尤雞nsafe關(guān)鍵字，如：

   private unsafe void btnSubmit_Click(object sender, EventArgs e)

也可在class或struct 上加上unsafe 關(guān)鍵字，如：

public partial unsafe class FrmDemo1 : Form

指針配合fixed關(guān)鍵字可以操作托管堆上的值類(lèi)型，如：

  public unsafe class Person
    {
        public int Age;
        public void SetAge(int age)
        {
            fixed (int* p = &Age)
            {
                *p = age;
            }
        }
    }

指針可以操作棧上的值類(lèi)型，如：

       int age = 0;
             int* p = &age;
             *p = 20;
             MessageBox.Show(p->ToString());

指針也可以操作非托管堆上的內(nèi)存，如：

         IntPtr handle = System.Runtime.InteropServices.Marshal.AllocHGlobal(4);
             Int32* p = (Int32*)handle;
             *p = 20;
             MessageBox.Show(p->ToString());
             System.Runtime.InteropServices.Marshal.FreeHGlobal(handle);

System.Runtime.InteropServices.Marshal.AllocHGlobal 用來(lái)從非托管堆上分配內(nèi)存。System.Runtime.InteropServices.Marshal.FreeHGlobal(handle)用來(lái)釋放從非托管對(duì)上分配的內(nèi)存。這樣我們就可以避開(kāi)GC，自己管理內(nèi)存了。

三、幾種常用用法

1、使用Dispose模式管理非托管內(nèi)存

如果使用非托管內(nèi)存，建議用Dispose模式來(lái)管理內(nèi)存，這樣做有以下好處： 可以手動(dòng)dispose來(lái)釋放內(nèi)存；可以使用using 關(guān)鍵字開(kāi)管理內(nèi)存；即使不釋放，當(dāng)Dispose對(duì)象被GC回收時(shí)，也會(huì)收回內(nèi)存。

下面是Dispose模式的簡(jiǎn)單例子：

public unsafe class UnmanagedMemory : IDisposable
          {
              public int Count { get; private set; }
              private byte* Handle;
             private bool _disposed = false;
              public UnmanagedMemory(int bytes)
              {
                 Handle = (byte*) System.Runtime.InteropServices.Marshal.AllocHGlobal(bytes);
                 Count = bytes;
            }
             public void Dispose()
             {
                 Dispose(true);
                 GC.SuppressFinalize(true);
             }
            protected virtual void Dispose( bool isDisposing )
             {
                 if (_disposed) return;
                 if (isDisposing)
                 {
                     if (Handle != null)
                     {                         System.Runtime.InteropServices.Marshal.FreeHGlobal((IntPtr)Handle);
                     }
                 }
                 _disposed = true;
             }
             ~UnmanagedMemory()
  　         {
  　　           Dispose( false );
  　         }
         }

使用：

  using (UnmanagedMemory memory = new UnmanagedMemory(10))
            {
                int* p = (int*)memory.Handle;
                *p = 20;
                MessageBox.Show(p->ToString());
            }

2、使用 stackalloc 在棧中分配內(nèi)存

C# 提供了stackalloc 關(guān)鍵字可以直接在棧中分配內(nèi)存，一般情況下，使用棧內(nèi)存會(huì)比使用堆內(nèi)存速度快，且棧內(nèi)存不用擔(dān)心內(nèi)存泄漏。下面是例子：

       int* p = stackalloc int[10];
             for (int i = 0; i < 10; i++)
             {
                 p[i] = 2 * i + 2;
             }
             MessageBox.Show(p[9].ToString());

3、模擬C中的union（聯(lián)合體）類(lèi)型

使用 StructLayout 可以模擬C中的union：

  [StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
        public struct Argb32
        {
            [FieldOffset(0)]
            public Byte Blue;
            [FieldOffset(1)]
            public Byte Green;
            [FieldOffset(2)]
            public Byte Red;
            [FieldOffset(3)]
            public Byte Alpha;
            [FieldOffset(0)]
            public Int32 IntVal;
        }

這個(gè)和指針無(wú)關(guān)，非unsafe環(huán)境下也可使用，有很多用途，比如，序列化和反序列化，求hash值 ……

四、C# 指針操作的幾個(gè)缺點(diǎn)

C# 指針操作的缺點(diǎn)也不少。下面一一道來(lái)。

缺點(diǎn)1：只能用來(lái)操作值類(lèi)型

.Net中，引用類(lèi)型的內(nèi)存管理全部是由GC代勞，無(wú)法取得其地址，因此，無(wú)法用指針來(lái)操作引用類(lèi)型。所以，C#中指針操作受到值類(lèi)型的限制，其中，最主要的一點(diǎn)就是：值類(lèi)型無(wú)法繼承。

這一點(diǎn)看起來(lái)是致命的，其實(shí)不然。首先，需要用到指針來(lái)提高性能的地方，其類(lèi)型是很少變動(dòng)的。其次，在OO編程中有個(gè)名言：組合優(yōu)于繼承。使用組合，我們可以解決很多需要繼承的地方。第三，最后，我們還可以使用引用類(lèi)型來(lái)對(duì)值類(lèi)型打包，進(jìn)行繼承，權(quán)衡兩者的比重來(lái)完成任務(wù)。

缺點(diǎn)2：泛型不支持指針類(lèi)型

C# 中泛型不支持指針類(lèi)型。這是個(gè)很大的限制，在后面的篇幅中，我會(huì)引入模板機(jī)制來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題。同理，迭代器也不支持指針，因此，我們需要自己實(shí)現(xiàn)迭代機(jī)制。

缺點(diǎn)3：沒(méi)有函數(shù)指針

幸運(yùn)的是，C# 中有delegate，delegate 支持支持指針類(lèi)型，lambda 表達(dá)式也支持指針。后面會(huì)詳細(xì)講解。

五、引入模板機(jī)制

沒(méi)有泛型，但是我們可以模擬出一套類(lèi)似C++的模板機(jī)制出來(lái)，進(jìn)行代碼復(fù)用。這里大量的用到了C#的語(yǔ)法糖和IDE的支持。

先介紹原理：

partial 關(guān)鍵字讓我們可以將一個(gè)類(lèi)的代碼分在多個(gè)文件，那么可以這樣分：第一個(gè)文件是我們自己寫(xiě)的代碼，第二個(gè)文件用來(lái)描述模板，第三個(gè)文件，用來(lái)根據(jù)模板自動(dòng)生成代碼。

三個(gè)文件這樣取名字的：

XXXClassHelper 是模板定義文件，XXXClassHelper_Csmacro.cs 是自動(dòng)生成的模板實(shí)現(xiàn)代碼。

ClassHelper文件的例子：

namespace Geb.Image
{
    using TPixel = Argb32;
    using TCache = System.Int32;
    using TKernel = System.Int32;
    using TImage = Geb.Image.ImageArgb32;
    using TChannel = System.Byte;
    public static partial class ImageArgb32ClassHelper
    {
        #region include "ImageClassHelper_Template.cs"
        #endregion
    }
    public partial class ImageArgb32
    {
        #region include "Image_Template.cs"
        #endregion
        #region include "Image_Paramid_Argb_Templete.cs"
        #endregion
    }
    public partial struct Argb32
    {
        #region include "TPixel_Template.cs"
        #endregion
    }
}

這里用到了using 語(yǔ)法糖。using 關(guān)鍵字，可以為一個(gè)類(lèi)型取別名。使用 VS 的 #region 來(lái)定義所使用的模板文件的位置。上面這個(gè)文件中，引用了4個(gè)模板文件：ImageClassHelper_Template.cs，Image_Template.cs，Image_Paramid_Argb_Templete.cs 和 TPixel_Template.cs。

只看其中的一個(gè)模板文件 Image_Template.cs：

 using TPixel = System.Byte;
 using TCache = System.Int32;
 using TKernel = System.Int32;
 using System;
 using System.Collections.Generic;
 using System.Text;
 namespace Geb.Image.Hidden
 {
     public abstract class Image_Template : UnmanagedImage<TPixel>
     {
         private Image_Template()
             : base(1,1)
         {
             throw new NotImplementedException();
         }
         #region mixin
         public unsafe TPixel* Start { get { return (TPixel*)this.StartIntPtr; } }
         public unsafe TPixel this[int index]
         {
             get
             {
                 return Start[index];
             }
             set
             {
                 Start[index] = value;
             }
         }
   
   ……
 
         #endregion
     }
 }

這個(gè)模板文件是編譯通過(guò)的。也使用了 using 關(guān)鍵字來(lái)對(duì)使用的類(lèi)型取別名，同時(shí)，在代碼中，有一段用 #region mixin 和 #endregion 環(huán)繞的代碼。只需要寫(xiě)一個(gè)工具，將模板文件中 #region mixin 和 #endregion 環(huán)繞的代碼提取出來(lái)，替換到模板定義中 #region include "Image_Template.cs" 和 #endregion 之間，生成第三個(gè)文件 ClassHelper_Csmacro.cs 即可實(shí)現(xiàn)模板機(jī)制。由于都使用了 using 關(guān)鍵字對(duì)類(lèi)型取別名，因此，ClassHelper_Csmacro.cs 文件也是可以編譯通過(guò)的。在不同的模板定義中，令同樣的符號(hào)來(lái)代表不同的類(lèi)型，實(shí)現(xiàn)了模板代碼的公用。

上面機(jī)制可以全部自動(dòng)化。Csmacro 是我寫(xiě)的一個(gè)工具，可以完成上面的過(guò)程。將它放在系統(tǒng)路徑下，然后在項(xiàng)目的build event中添加pre-build 指令即可。Csmacro程序在代碼包的lib的目錄下。

如此實(shí)裝，我們就有模板用了！一切自動(dòng)化，就好像內(nèi)置的一樣。強(qiáng)類(lèi)型、有編譯器進(jìn)行類(lèi)型約束，減少出錯(cuò)的可能。調(diào)試也很容易，就和調(diào)試普通的C#代碼一樣，不存在C++中的模板的難調(diào)試問(wèn)題。缺點(diǎn)嘛，就是沒(méi)有C++中模板的語(yǔ)法優(yōu)美，但是，也看的過(guò)去，至少比C中的宏好看多了是吧。

參照上面對(duì)模板的實(shí)現(xiàn)，完全可以定義出一套C#的宏出來(lái)。沒(méi)這樣做，是因?yàn)闆](méi)這個(gè)需求。

下面是一個(gè)完整的例子，為 Person 類(lèi)和 Cat 類(lèi)添加模板擴(kuò)展方法（非擴(kuò)展方法也可類(lèi)似添加），由于這個(gè)方法有指針，無(wú)法用泛型實(shí)現(xiàn)：

void SetAge(this T item,  int* age)

首先，建一個(gè)可編譯通過(guò)的模板類(lèi) Template.cs：

 namespace Introduce.Hide
 {
     using T = Person;
     public static class Template
     {
         #region mixin
         public static unsafe void SetAge(this T item,  int* age)
         {
             item.Age = *age;
         }
         #endregion
     }
 }

我在命名空間中加入了 Hide，只要不引用這個(gè)命名空間，這個(gè)擴(kuò)展方法不會(huì)出現(xiàn)對(duì)程序產(chǎn)生干擾。

接著，建立 PersonClassHelper.cs 文件：

namespace Introduce
 {
     using T = Person;
     public static partial class PersonClassHelper
     {
         #region include "Template.cs"
         #endregion 
     }
 }

建立 CatClassHelper.cs 文件：

 namespace Introduce
 {
     using T = Cat;
     public static partial class CatClassHelper
     {
         #region include "Template.cs"
         #endregion
     }
 }

為了節(jié)省篇幅，我省略了命名空間的引用，實(shí)際代碼中是有命名空間的引用的。下載包里包含了全部的代碼。接下來(lái)，編譯一下，哈哈，編譯通過(guò)。

且慢，怎么看不到編譯生成的兩個(gè) Csmacro.cs 文件呢？

這兩個(gè)文件已經(jīng)生成了，需要手動(dòng)將它們添加到項(xiàng)目中，只用添加一次即可。添加進(jìn)來(lái)，再編譯一下，哈哈，通過(guò)。

這個(gè)例子雖小，可不要小看模板啊，在Geb.Image庫(kù)里，大量使用了模板：

有了模板，只用維護(hù)公共代碼。

六、迭代器

下面來(lái)實(shí)現(xiàn)迭代器。這里，要放棄使用foreach，返回古老的迭代器模式，來(lái)訪問(wèn)圖像的每一個(gè)像素：

   public unsafe struct ItArgb32Old
    {
        public unsafe Argb32* Current;
        public unsafe Argb32* End;
        public unsafe Argb32* Next()
        {
            if (Current < End) return Current ++;
            else return null;
        }
    }
    public static class ImageArgb32Helper
    {
        public unsafe static ItArgb32Old CreateItorOld(this ImageArgb32 img)
        {
            ItArgb32Old itor = new ItArgb32Old();
            itor.Current = img.Start;
            itor.End = img.Start + img.Length;
            return itor;
        }
    }

不幸的是，測(cè)試性能，這個(gè)迭代器比單純的while循環(huán)慢很多。對(duì)一個(gè)100萬(wàn)像素的圖像，將其每一個(gè)像素值的Red分量設(shè)為200，循環(huán)100遍，使用迭代器在我的電腦上耗時(shí)242 ms，直接使用循環(huán)耗時(shí) 72 ms。我測(cè)試了很多種方案，均未得到和直接循環(huán)性能近似的迭代器實(shí)現(xiàn)方案。

沒(méi)有辦法，只好對(duì)迭代器來(lái)打折了，只進(jìn)行部分抽象（這已經(jīng)不能算迭代器了，但這里仍沿用這個(gè)名稱(chēng)）：

     public unsafe struct ItArgb32
     {
         public unsafe Argb32* Start;
         public unsafe Argb32* End;
         public int Step(Argb32* ptr)
         {
             return 1;
         }
     }

產(chǎn)生迭代器的代碼：

   public unsafe static ItArgb32 CreateItor(this ImageArgb32 img)
     {
         ItArgb32 itor = new ItArgb32();
         itor.Start = img.Start;
         itor.End = img.Start + img.Length;
         return itor;
     }

使用：

   ItArgb32 itor = img.CreateItor();
     for (Argb32* p = itor.Start; p < itor.End; p+= itor.Step(p))
     {
         p->Red = 200;
     }

測(cè)試性能和直接循環(huán)性能幾乎一樣。有人可能要問(wèn)，你這樣有什么優(yōu)勢(shì)？和for循環(huán)有什么區(qū)別？

這個(gè)例子中當(dāng)然看不出優(yōu)勢(shì)，換個(gè)例子就可以看出來(lái)了。

在圖像編程中，有 ROI（Region of Interest，感興趣區(qū)域）的概念。比如，在下面這張女王出場(chǎng)的畫(huà)面中，假設(shè)我們只對(duì)她的頭部感興趣（ROI區(qū)域），只對(duì)該區(qū)域進(jìn)行處理（標(biāo)注為紅色區(qū)域）。

對(duì)ROI區(qū)域創(chuàng)建一個(gè)迭代器，用來(lái)迭代ROI中的每一行：

  public unsafe struct ItRoiArgb32
    {
        public unsafe Argb32* Start;
        public unsafe Argb32* End;
        public int Width;
        public int RoiWidth;
        public int Step(Argb32* ptr)
        {
            return Width;
        }
        public ItArgb32 Itor(Argb32* p)
        {
            ItArgb32 it = new ItArgb32();
            it.Start = p;
            it.End = p + RoiWidth;
            return it;
        }
    }

這個(gè)ROI迭代器又可以產(chǎn)生一個(gè)ItArgb32迭代器，來(lái)迭代該行中的像素。

產(chǎn)生ROI迭代器的代碼如下，為了簡(jiǎn)化代碼，我這里沒(méi)有進(jìn)行ROI的驗(yàn)證：

     public unsafe static ItRoiArgb32 CreateRoiItor(this ImageArgb32 img,
            int x, int y, int roiWidth, int roiHeight)
        {
            ItRoiArgb32 itor = new ItRoiArgb32();
            itor.Width = img.Width;
            itor.RoiWidth = roiWidth;
            itor.Start = img.Start + img.Width * y + x;
            itor.End = itor.Start + img.Width * roiHeight;
            return itor;
        }

性能測(cè)試表明，使用ROI迭代器進(jìn)行迭代和直接進(jìn)行循環(huán)，性能一致。為一副圖像添加ROI字段，設(shè)置ROI值來(lái)控制不同的處理區(qū)域，然后用ROI迭代器進(jìn)行迭代，比直接使用循環(huán)要方便得多。

七、風(fēng)情萬(wàn)種的Lambda表達(dá)式

接下來(lái)，來(lái)看看C#指針最有風(fēng)情的一面——Lambda表達(dá)式。 C# 里 delegate 支持指針，下面這種寫(xiě)法是沒(méi)有問(wèn)題的：

 void ActionOnPixel(TPixel* p);

對(duì)于圖像處理，我定義了許多擴(kuò)展方法，F(xiàn)orEach是其中的一種，下面是它的模板定義：

     public unsafe static UnmanagedImage<TPixel> ForEach(this UnmanagedImage<TPixel> src, ActionOnPixel handler)
        {
            TPixel* start = (TPixel*)src.StartIntPtr;
            TPixel* end = start + src.Length;
            while (start != end)
            {
                handler(start);
                ++start;
            }
            return src;
        }

讓我們用lambda表達(dá)式對(duì)圖像迭代，將每像素的Red分量設(shè)為200吧，一行代碼搞定：

img.ForEach((Argb32* p) => { p->Red = 200; });

用ForEach測(cè)試，對(duì)100萬(wàn)像素的圖像設(shè)置Red通道值為200，循環(huán)100次，我的測(cè)試結(jié)果是 400 ms，約是直接循環(huán)的 4-5 倍。可見(jiàn)這是個(gè)性能不高的操作（其實(shí)也夠高了，100萬(wàn)象素，循環(huán)100遍，耗時(shí)400ms），可以在對(duì)性能要求不是特別高時(shí)使用。

八、與C/C++的比較

我測(cè)試了很多場(chǎng)景，C# 下指針性能約是 C/C++ 的 70-80%，性能差距，可以忽略。

相對(duì)于C/C++來(lái)說(shuō)，C#無(wú)法直接操作硬件是其遺憾，這種情況，可以使用C/C++寫(xiě)段小程序來(lái)彌補(bǔ)，不過(guò)，我還沒(méi)遇到這種場(chǎng)景。很多情況都可以P/Invoke解決。

做圖像的話，很多時(shí)候需要使用顯卡加速，如使用CUDA或OpenCL，幸運(yùn)的是，C#也可以直接寫(xiě)CUDA或OpenCL代碼，但是功能可能會(huì)受到所用的庫(kù)的限制。也可以用傳統(tǒng)方式寫(xiě)CUDA或OpenCL代碼，再P/Invoke調(diào)用。如果用傳統(tǒng)的C/C++開(kāi)發(fā)的話，也需要做同樣的工作。

和C比較：

這套方案比C的抽象程度高，我們有模板，有l(wèi)ambda表達(dá)式，還有一大票的語(yǔ)法糖。在類(lèi)庫(kù)上，比C的類(lèi)庫(kù)完善的多。我們還有反射，有命名空間等等一大票的東西。

和C++比較：

這套方案的抽象程度比C++要低一些。畢竟，值類(lèi)型無(wú)法繼承，模板機(jī)制比C++ 差一點(diǎn)。但是在生產(chǎn)力上比C++要高很多。拋開(kāi)C++那一大票陷阱不說(shuō)，以秒計(jì)算的編譯速度就夠讓C++程序員流口水的。當(dāng)我們?cè)诳Х瑞^里約會(huì)喝咖啡時(shí)，C++程序員還正端著一杯咖啡坐在電腦前等待程序編譯結(jié)束。

九、接下來(lái)的工作

接下來(lái)的工作主要有兩個(gè)：

內(nèi)聯(lián)工具：C# 的內(nèi)聯(lián)還不夠強(qiáng)大。需要一個(gè)內(nèi)聯(lián)工具，對(duì)想要內(nèi)聯(lián)的方法使用特性標(biāo)記一下，在編譯結(jié)束后，在IL代碼層面內(nèi)聯(lián)。

翻譯工具：移動(dòng)開(kāi)發(fā)是個(gè)痛。如何將C#的代碼翻譯成C/C++的代碼，在缺乏.Net的運(yùn)行時(shí)下運(yùn)行？

這兩個(gè)工作都不緊要。C#內(nèi)聯(lián)效果不好的地方（這種情況很少），可以手動(dòng)內(nèi)聯(lián)。至于移動(dòng)開(kāi)發(fā)嘛，在哥的一云三端大計(jì)中，C# 的定位是云圖像開(kāi)發(fā)（C#+CUDA），三端中，桌面運(yùn)用是用C#和Flash開(kāi)發(fā)，Web和移動(dòng)應(yīng)用使用Flash開(kāi)發(fā)，沒(méi)有C#的事情。

C/C++ 呢？更沒(méi)有它們的位置啦！不對(duì)，還是有的。用它們來(lái)開(kāi)發(fā)Flash應(yīng)用的核心算法！夠另類(lèi)吧！

總結(jié)

本篇文章就到這里了，希望可以幫助到你，也希望你能夠多多關(guān)注腳本之家的更對(duì)內(nèi)容！

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