如何在C#中模擬C++的聯(lián)合（Union）？[C#, C++]
How To Simulate C++ Union In C#?
Updated on Sunday, December 26, 2004
Written by Allen Lee
0 如何閱讀本文？
如果你...
- ...希望了解聯(lián)合的概念，請閱讀“什么是聯(lián)合？”。
- ...希望了解聯(lián)合的內(nèi)存使用情況，請閱讀“聯(lián)合的內(nèi)存布局與內(nèi)存使用情況?！?。
- ...希望了解如何在C#中模擬聯(lián)合，請閱讀“第一次嘗試：在C#中模擬這種布局方式。”。
- ...希望了解在C++中使用聯(lián)合有哪些要注意的地方，請閱讀“在實(shí)際的C++代碼中，我們是如何使用聯(lián)合的？”。
- ...希望了解如何在C#中更好的使用模擬的聯(lián)合，請閱讀“第二次嘗試：改進(jìn)型的聯(lián)合模擬?！薄?
- ...希望了解在C#中使用模擬的聯(lián)合有些什么注意事項(xiàng)，請閱讀“別在模擬的聯(lián)合中同時使用值類型和引用類型！”。
- ...希望了解為何我要寫這篇文章，請閱讀“為什么要在C#里面模擬這個用處不大的東西？”。
否則...
- ...你應(yīng)該從頭到尾閱讀全文。
1 什么是聯(lián)合？
聯(lián)合（Union）是一種特殊的類，一個聯(lián)合中的數(shù)據(jù)成員在內(nèi)存中的存儲是互相重疊的。每個數(shù)據(jù)成員都在相同的內(nèi)存地址開始。分配給聯(lián)合的存儲區(qū)數(shù)量是“要包含它最大的數(shù)據(jù)成員”所需的內(nèi)存數(shù)。同一時刻只有一個成員可以被賦給一個值。
下面我們來看看C++中如何表達(dá)聯(lián)合：
//Code#01
union
TokenValue
{
char
_cval;
int
_ival;
double
_dval;
}
;
2 聯(lián)合的內(nèi)存布局與內(nèi)存使用情況。
下面我們來考察一下TokenValue的內(nèi)存布局。
首先，我們使用sizeof運(yùn)算符來獲取該聯(lián)合各個成員的內(nèi)存占用字節(jié)數(shù)：
//
Code#02
int
_tmain(
int
argc,_TCHAR
*
argv[])
{
cout
"
sizeof(char):
"
sizeof
(
char
)
endl;
cout
"
sizeof(int):
"
sizeof
(
int
)
endl;
cout
"
sizeof(double):
"
sizeof
(
double
)
endl;
return
0
;
}
/*
*Output:
*sizeof(char):1
*sizeof(int):4
*sizeof(double):8
*
*/
這樣，分配給該聯(lián)合的內(nèi)存就是8個字節(jié)。
接著，我們來看看具體使用該聯(lián)合時，所分配的內(nèi)存的字節(jié)占用情況如何：
//
Code#03
int
_tmain(
int
argc,_TCHAR
*
argv[])
{
TokenValuetv;
//
[_][_][_][_][_][_][_][_]
tv._cval
=
'
K
'
;
//
[X][_][_][_][_][_][_][_]
tv._ival
=
1412
;
//
[X][X][X][X][_][_][_][_]
tv._dval
=
3.14159
;
//
[X][X][X][X][X][X][X][X]
return
0
;
}
3 第一次嘗試：在C#中模擬這種布局方式。
在C#中，要指定成員的內(nèi)存布局情況，我們需要結(jié)合使用StructLayoutAttribute特性、LayoutKind枚舉和FieldOffsetAttribute特性，它們都位于System.Runtime.InteropServices命名空間中。
下面我用struct來試著模擬上面的TokenValue聯(lián)合：
//
Code#04
[StructLayout(LayoutKind.Explicit,Size
=
8
)]
struct
TokenValue
{
[FieldOffset(
0
)]
public
char
_cval;
[FieldOffset(
0
)]
public
int
_ival;
[FieldOffset(
0
)]
public
double
_dval;
}
我們知道，聯(lián)合的每個數(shù)據(jù)成員都在相同的內(nèi)存地址開始，通過把[FieldOffset(0)]應(yīng)用到TokenValue的每一個成員，我們就指定了這些成員都處于同一起始位置。當(dāng)然，我們得事先告訴.NET這些成員的內(nèi)存布局由我們來作主，把LayoutKind.Explicit枚舉傳遞給StructLayoutAttribute特性的構(gòu)造函數(shù)，并應(yīng)用到TokenValue，.NET就不會再干涉該struct的成員在內(nèi)存中的布局了。另外，我顯式的把TokenValue的大小設(shè)置為8字節(jié)，當(dāng)然，這樣做是可選的。
4 在實(shí)際的C++代碼中，我們是如何使用聯(lián)合的？
在實(shí)際的C++代碼中，我們應(yīng)盡量避免讓客戶端直接使用聯(lián)合，Code #03就是一個很好的反面例子了。為什么呢？熟悉C/C++的開發(fā)人員都知道，聯(lián)合提供我們這樣一個節(jié)省空間的儲存方式，是要我們付出一定的代價的。這個代價就是代碼的安全性，不恰當(dāng)?shù)厥褂寐?lián)合可能會導(dǎo)致程序崩潰的。
由于每一次只有一個聯(lián)合成員處于激活狀態(tài)，如果我們不小心或者因?yàn)槠渌蚴褂锰幱谛菝郀顟B(tài)的成員，輕則得到錯誤的結(jié)果，重則整個程序中止。請看下面的代碼：
//
Code#05
unionTokenValue
{
char
_cval;
int
_ival;
double
_dval;
char
*
_sval;
}
;
int
_tmain(
int
argc,_TCHAR
*
argv[])
{
TokenValuetv;
tv._cval
=
'
K
'
;
cout
tv._cval
endl;
//
Line#01
cout
tv._ival
endl;
//
Line#02
cout
tv._dval
endl;
//
Line#03
cout
tv._sval
endl;
//
Line#04
return
0
;
}
這里的TokenValue比起Code #01的僅僅多了一個_sval，它是C風(fēng)格的字符串，實(shí)質(zhì)上，它是指向字符串的第一個字符的指針，它占用4字節(jié)的內(nèi)存空間。
當(dāng)程序運(yùn)行到Line #04時，就會出現(xiàn)Unhandled Exception，程序中止，并指出_sval的值非法（即所謂的“野指針”）。程序無法把它的值輸出控制臺，然而，Line #01 ~ Line #03都能輸出，只是Line #02和Line #03所輸出的值是錯誤的而已。
實(shí)際的應(yīng)用中，我們一般不會看到如此低級且顯而易見的錯誤，但復(fù)雜的實(shí)際應(yīng)用中，不恰當(dāng)?shù)厥褂寐?lián)合的確會為我們帶來不少的麻煩。
5 第二次嘗試：改進(jìn)型的聯(lián)合模擬。
一般情況下，聯(lián)合作為一種內(nèi)部數(shù)據(jù)的儲存手段，沒有必要讓客戶端對其有所了解，更沒必要讓客戶端直接使用它。為了使我們的聯(lián)合模擬用起來更安全，我們需要對它進(jìn)行一番包裝：
//Code#06
class
Program
{
static
void
Main(
string
[]args)
{
Tokent=
new
Token();
Console.WriteLine(t);
Console.WriteLine(t.GetTokenValue());
t.SetTokenValue('K');
Console.WriteLine(t);
Console.WriteLine(t.GetTokenValue());
}
}
public
struct
Token
{
private
TokenValuetv;
private
TokenKindtk;
public
void
SetTokenValue(
char
c)
{
tk=TokenKind.CharValue;
tv._cval=c;
}
public
void
SetTokenValue(
int
i)
{
tk=TokenKind.IntValue;
tv._ival=i;
}
public
void
SetTokenValue(
double
d)
{
tk=TokenKind.DoubleValue;
tv._dval=d;
}
public
object
GetTokenValue()
{
switch
(tk)
{
case
TokenKind.CharValue:
return
tv._cval;
case
TokenKind.IntValue:
return
tv._ival;
case
TokenKind.DoubleValue:
return
tv._dval;
default
:
return
"NoValue";
}
}
public
override
string
ToString()
{
switch
(tk)
{
case
TokenKind.CharValue:
return
tv._cval.ToString();
case
TokenKind.IntValue:
return
tv._ival.ToString();
case
TokenKind.DoubleValue:
return
tv._dval.ToString();
default
:
return
"NoValue";
}
}
[StructLayout(LayoutKind.Explicit,Size=8)]
private
struct
TokenValue
{
[FieldOffset(0)]
public
char
_cval;
[FieldOffset(0)]
public
int
_ival;
[FieldOffset(0)]
public
double
_dval;
}
private
enum
TokenKind
{
NoValue,
CharValue,
IntValue,
DoubleValue
}
}
/*
*Output:
*NoValue
*NoValue
*K
*K
*
*/
由于Token是值類型，實(shí)例化時，對應(yīng)的成員（tv和tk）會自動被賦予與之對應(yīng)的零值。此時，tv._cval為'\0'、tv._ival和tv._dval均為0（實(shí)質(zhì)上它們是同一個值在不同的類型中的表現(xiàn)）。而tk也被自動賦予0：
tk = 0;
這里，你無需進(jìn)行強(qiáng)類型轉(zhuǎn)換，0是任何枚舉的默認(rèn)初始值，.NET會負(fù)責(zé)把0轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的枚舉類型。例如，你可以：
//Code#07
System.DayOfWeekd=0;
Console.WriteLine(d);
該代碼能正確輸出Sunday——一個星期的第一天（西方習(xí)慣），也是該枚舉的第一個成員。
一般情況下，0對應(yīng)著枚舉的第一個成員（除非你在定義枚舉的時候，把第一個成員指定為別的值，并為別的成員賦予0值）。這樣，我們就不難看出代碼的輸出是合理的，而且代碼本身也是安全的。
6 別在模擬的聯(lián)合中同時使用值類型和引用類型！
到目前為止，我們所模擬的聯(lián)合中，所有的成員都是值類型，如果我們?yōu)樗尤胍粋€引用類型，例如String呢？
//Code#08
[StructLayout(LayoutKind.Explicit,Size=8)]
struct
TokenValue
{
[FieldOffset(0)]
public
char
_cval;
[FieldOffset(0)]
public
int
_ival;
[FieldOffset(0)]
public
double
_dval;
[FieldOffset(0)]
public
string
_sval;
}
這樣，Code #06的代碼運(yùn)行時就會提示出錯：
TokenValue初始化的時候，_cval、_ival和_dval都能正確的被賦予對應(yīng)的零值，而這些零值也能被統(tǒng)一起來（別的值就不行了）。但_sval不同，它是引用類型，如果沒有顯示初始化為某個有意義的值，它將被賦予null值！這個null值跟之前的有意義的零值是不能被統(tǒng)一起來的！所以，要么你就去掉這個_sval，要么就重新定義它的起始位置（當(dāng)然，你也得去掉Size=8！），但這樣一來，TokenValue就不再稱得上聯(lián)合的模擬了。
在C++中，我們可以直接使用指針來解決這個問題，如Code #05，但C#中，問題就會變得有點(diǎn)辣手。如果你有興趣的話，可以使用不安全代碼（Unsafe code）來試著解決，但這樣一來，你的代碼又會引入一些新的問題。
7 為什么要在C#里面模擬這個用處不大的東西？ [NEW]
相信很多人都有這樣一個疑問：為什么要在C#里面模擬這個用處不大的東西？就我個人來說，我始終堅(jiān)信事物的存在必定有它的理由，否則就不會存在。其實(shí)，聯(lián)合在我們平時的編碼中的確很少用到，但在某些情況下，我們必須使用它！.NET為我們提供巨大的便利的同時，也不忘讓我們能夠與非托管代碼交互。你知道，早期的Win32 API使用C來完成的，這里面就有很多函數(shù)的參數(shù)是以聯(lián)合的形式表達(dá)的，要在C#中跟這些API交互，我們就得“尊重”原函數(shù)的用法約束。
8 終點(diǎn)與起點(diǎn)的交界處。
回顧整個探索旅程，我們?yōu)榱耸褂寐?lián)合節(jié)省空間的優(yōu)勢，開始了這個模擬的探索，然而，為了彌補(bǔ)聯(lián)合的不足，我們對這個模擬進(jìn)行了一番包裝，增加了不少額外的代碼，直到后來，又發(fā)現(xiàn)了在這個模擬中同時使用值類型的成員和引用類型的成員所引發(fā)的問題，我們一直都沒有停止過探索和思考。正如馬斯洛的需要層次理論所描述的，人只要低層次的需要被滿足，馬上就會轉(zhuǎn)向更高的需要層次，一級一級的，直到攀上最高峰為止。
關(guān)于在C#中模擬C++的聯(lián)合這個話題，我并沒有在本文中給予你一個完整的展示，相反，我為你展示的僅僅是一個探索的起點(diǎn)，希望為你帶來一絲靈感，讓你根據(jù)自己的實(shí)際情況來定制你的探索旅程。Have a good trip!
參考資料：
- Stanley B.Lippman，Josee Lajoie； 《C++ Primer中文版（第三版）》 ；潘愛民，張麗譯；中國電力出版社 2002
- Microsoft .NET Framework SDK Documentation，Microsoft Corp. 2004
- Allen Lee； 《關(guān)于枚舉的種種 [C#, IL, BCL] 》
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