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  • [转载]C# 指针之美

       将C#图像库的基础部分开源了（https://github.com/xiaotie/GebImage）。这个库比较简单，且离成熟还有一段距离，但它是一种新的开发模式的探索：以指针和非托管内存为主的C#程序开发。     我许多项目都是在这个库基础上的开发，实战证明了它的有效。从今天起，将断断续续（太忙了）的写一系列文章来介绍这种开发方法，介绍基于此的图像编程。本文便是第一篇。     以指针和非托管内存为主的C#程序开发，无论对.Net程序员来说，还是对传统的C/C++程序员来说，均属异类。然而这种方法在很多场景下是非常有效的，尤其是图像编程，所谓谈笑间，樯橹灰飞烟灭，不外如是。     既有C/C++的高性能，又能直接管理内存不给GC带来压力，同时又拥有.net开发的大部分优势，可以快速迭代，何乐而不为呢？

    一、简洁优美的代码

        本来初稿这节写了好几百字，将C#指针开发与C/C++开发，Java开发、D语言开发等进行对比，阐述理念。不过现在觉得，阐述一个新事物，没有比用例子更直接的了。     例子：打开一张图像，先将它转化为灰度图像，再进行二值化（变成黑白图像），然后进行染色，将白色的像素变成红色。以上每一个过程都弹出窗体显示出来。     代码截图更有视觉冲击力：

        像诗歌一样简洁和优美，这就是孤的代码。具备C/C++的高性能和C#的行云流水，同时又有IDE的强大生产力相助，说这些话已属多余，看见这样的代码，更应该想到的是：妹纸，今天工作全部搞定，现在有空吗，哥来接你。     这才是工作，这才是生活。留下时间，看看书，看看漫画，玩玩乐乐。最近在看《偷星九月天》，就拿沧殿来测试这段程序吧：

    改编    程序员A：那帮孙子又新提了几百条需求，老大，你要带我们突围吗？     程序员B：不是突围，是杀光它们！

         下面，请跟随我，来一段短程探险吧。（本文中的代码可在 https://github.com/xiaotie/GebImage/tree/develop 处下载。打包下载地址见 集异璧图像与视觉分析库 ）

    二、C# 指针基础

        在C#中使用指针，需要在项目属性中选中“Allow unsafe code”：

        接着，还需要在使用指针的代码的上下文中使用unsafe关键字，表明这是一段unsafe代码。     可以用unsafe {  } 将代码围住，如：

    复制代码
    　　unsafe{                         
    　　　　new ImageArgb32(path).ShowDialog("原始图像")                             
    　　　　　　.ToGrayscaleImage().ShowDialog("灰度图像")                             
    　　　　　　.ApplyOtsuThreshold().ShowDialog("二值化图像")                             
    　　　　　　.ToImageArgb32()                             
    　　　　　　.ForEach((Argb32* p) => { if (p->Red == 255) *p = Argb32.RED; })                             
    　　　　　　.ShowDialog("染色");                     
    　　}
    复制代码

        也可在方法或属性上加入unsafe关键字，如：

         private unsafe void btnSubmit_Click(object sender, EventArgs e)

        也可在class或struct 上加上unsafe 关键字，如：

         public partial unsafe class FrmDemo1 : Form

        指针配合fixed关键字可以操作托管堆上的值类型，如：

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

        指针可以操作栈上的值类型，如：

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

        指针也可以操作非托管堆上的内存，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 用来从非托管堆上分配内存。System.Runtime.InteropServices.Marshal.FreeHGlobal(handle)用来释放从非托管对上分配的内存。这样我们就可以避开GC，自己管理内存了。

    三、几种常用用法

        1、使用Dispose模式管理非托管内存

        如果使用非托管内存，建议用Dispose模式来管理内存，这样做有以下好处： 可以手动dispose来释放内存；可以使用using 关键字开管理内存；即使不释放，当Dispose对象被GC回收时，也会收回内存。

        下面是Dispose模式的简单例子：

    View Code
    复制代码
    1         public unsafe class UnmanagedMemory : IDisposable
    2         {
    3             public int Count { get; private set; }
    4
    5             private byte* Handle;
    6             private bool _disposed = false;
    7
    8             public UnmanagedMemory(int bytes)
    9             {
    10                 Handle = (byte*) System.Runtime.InteropServices.Marshal.AllocHGlobal(bytes);
    11                 Count = bytes;
    12             }
    13
    14             public void Dispose()
    15             {
    16                 Dispose(true);
    17                 GC.SuppressFinalize(true);
    18             }
    19
    20             protected virtual void Dispose( bool isDisposing )
    21             {
    22                 if (_disposed) return;
    23                 if (isDisposing)
    24                 {
    25                     if (Handle != null)
    26                     {
    27                         System.Runtime.InteropServices.Marshal.FreeHGlobal((IntPtr)Handle);
    28                     }
    29                 }
    30                 _disposed = true;
    31             }
    32
    33             ~UnmanagedMemory()
    34  　         {
    35  　　           Dispose( false );
    36  　         }
    37         }
    复制代码

        使用：

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

        2、使用 stackalloc 在栈中分配内存     C# 提供了stackalloc 关键字可以直接在栈中分配内存，一般情况下，使用栈内存会比使用堆内存速度快，且栈内存不用担心内存泄漏。下面是例子：

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

        3、模拟C中的union（联合体）类型      使用 StructLayout 可以模拟C中的union：

    复制代码
    　　[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;        
    　　}
    复制代码

        这个和指针无关，非unsafe环境下也可使用，有很多用途，比如，序列化和反序列化，求hash值 ……

    四、C# 指针操作的几个缺点

        C# 指针操作的缺点也不少。下面一一道来。     缺点1：只能用来操作值类型     .Net中，引用类型的内存管理全部是由GC代劳，无法取得其地址，因此，无法用指针来操作引用类型。所以，C#中指针操作受到值类型的限制，其中，最主要的一点就是：值类型无法继承。     这一点看起来是致命的，其实不然。首先，需要用到指针来提高性能的地方，其类型是很少变动的。其次，在OO编程中有个名言：组合优于继承。使用组合，我们可以解决很多需要继承的地方。第三，最后，我们还可以使用引用类型来对值类型打包，进行继承，权衡两者的比重来完成任务。     缺点2：泛型不支持指针类型     C# 中泛型不支持指针类型。这是个很大的限制，在后面的篇幅中，我会引入模板机制来克服这个问题。同理，迭代器也不支持指针，因此，我们需要自己实现迭代机制。     缺点3：没有函数指针     幸运的是，C# 中有delegate，delegate 支持支持指针类型，lambda 表达式也支持指针。后面会详细讲解。

    五、引入模板机制

        没有泛型，但是我们可以模拟出一套类似C++的模板机制出来，进行代码复用。这里大量的用到了C#的语法糖和IDE的支持。     先介绍原理：     partial 关键字让我们可以将一个类的代码分在多个文件，那么可以这样分：第一个文件是我们自己写的代码，第二个文件用来描述模板，第三个文件，用来根据模板自动生成代码。     三个文件这样取名字的：

        XXXClassHelper 是模板定义文件，XXXClassHelper_Csmacro.cs 是自动生成的模板实现代码。

        ClassHelper文件的例子：

    复制代码
    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    
    　　}
    }
    复制代码

        这里用到了using 语法糖。using 关键字，可以为一个类型取别名。使用 VS 的 #region 来定义所使用的模板文件的位置。上面这个文件中，引用了4个模板文件：ImageClassHelper_Template.cs，Image_Template.cs，Image_Paramid_Argb_Templete.cs 和 TPixel_Template.cs。     只看其中的一个模板文件  Image_Template.cs：

    复制代码
    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     
    　　}
    }
    复制代码

        这个模板文件是编译通过的。也使用了 using 关键字来对使用的类型取别名，同时，在代码中，有一段用 #region mixin 和 #endregion 环绕的代码。只需要写一个工具，将模板文件中 #region mixin 和 #endregion 环绕的代码提取出来，替换到模板定义中 #region include "Image_Template.cs" 和 #endregion 之间，生成第三个文件 ClassHelper_Csmacro.cs 即可实现模板机制。由于都使用了 using 关键字对类型取别名，因此，ClassHelper_Csmacro.cs 文件也是可以编译通过的。在不同的模板定义中，令同样的符号来代表不同的类型，实现了模板代码的公用。     上面机制可以全部自动化。Csmacro 是我写的一个工具，可以完成上面的过程。将它放在系统路径下，然后在项目的build event中添加pre-build 指令即可。Csmacro 程序在代码包的lib的目录下。

        如此实装，我们就有模板用了！一切自动化，就好像内置的一样。强类型、有编译器进行类型约束，减少出错的可能。调试也很容易，就和调试普通的C#代码一样，不存在C++中的模板的难调试问题。缺点嘛，就是没有C++中模板的语法优美，但是，也看的过去，至少比C中的宏好看多了是吧。     参照上面对模板的实现，完全可以定义出一套C#的宏出来。没这样做，是因为没这个需求。

        下面是一个完整的例子，为 Person 类和 Cat 类添加模板扩展方法（非扩展方法也可类似添加），由于这个方法有指针，无法用泛型实现：

    void SetAge(this T item,  int* age)

        首先，建一个可编译通过的模板类 Template.cs：

    复制代码
    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     
    　　}
    }
    复制代码

        我在命名空间中加入了 Hide，只要不引用这个命名空间，这个扩展方法不会出现对程序产生干扰。     接着，建立 PersonClassHelper.cs 文件：

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

        建立 CatClassHelper.cs 文件：

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

        为了节省篇幅，我省略了命名空间的引用，实际代码中是有命名空间的引用的。下载包里包含了全部的代码。     接下来，编译一下，哈哈，编译通过。     且慢，怎么看不到编译生成的两个 Csmacro.cs 文件呢？

        这两个文件已经生成了，需要手动将它们添加到项目中，只用添加一次即可。添加进来，再编译一下，哈哈，通过。     这个例子虽小，可不要小看模板啊，在Geb.Image库里，大量使用了模板：

        有了模板，只用维护公共代码。

    六、迭代器

        下面来实现迭代器。这里，要放弃使用foreach，返回古老的迭代器模式，来访问图像的每一个像素：

    复制代码
        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;        
    　　　　}    
    }
    复制代码

        不幸的是，测试性能，这个迭代器比单纯的while循环慢很多。对一个100万像素的图像，将其每一个像素值的Red分量设为200，循环100遍，使用迭代器在我的电脑上耗时242 ms，直接使用循环耗时 72 ms。我测试了很多种方案，均未得到和直接循环性能近似的迭代器实现方案。

        没有办法，只好对迭代器来打折了，只进行部分抽象（这已经不能算迭代器了，但这里仍沿用这个名称）：

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

        产生迭代器的代码：

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

         使用：

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

        测试性能和直接循环性能几乎一样。有人可能要问，你这样有什么优势？和for循环有什么区别？     这个例子中当然看不出优势，换个例子就可以看出来了。     在图像编程中，有 ROI（Region of Interest，感兴趣区域）的概念。比如，在下面这张女王出场的画面中，假设我们只对她的头部感兴趣（ROI区域），只对该区域进行处理（标注为红色区域）。

        对ROI区域创建一个迭代器，用来迭代ROI中的每一行：

    复制代码
        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;        
    　　　　}    
    　  }
    复制代码

        这个ROI迭代器又可以产生一个ItArgb32迭代器，来迭代该行中的像素。

        产生ROI迭代器的代码如下，为了简化代码，我这里没有进行ROI的验证：

    复制代码
    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;        
    }
    复制代码

        性能测试表明，使用ROI迭代器进行迭代和直接进行循环，性能一致。     为一副图像添加ROI字段，设置ROI值来控制不同的处理区域，然后用ROI迭代器进行迭代，比直接使用循环要方便得多。

    七、风情万种的Lambda表达式

        接下来，来看看C#指针最有风情的一面——Lambda表达式。     C# 里 delegate 支持指针，下面这种写法是没有问题的：

    void ActionOnPixel(TPixel* p);

        对于图像处理，我定义了许多扩展方法，ForEach是其中的一种，下面是它的模板定义：

    复制代码
     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;        
    }
    复制代码

        让我们用lambda表达式对图像迭代，将每像素的Red分量设为200吧，一行代码搞定：

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

        用ForEach测试，对100万像素的图像设置Red通道值为200，循环100次，我的测试结果是 400 ms，约是直接循环的 4-5 倍。可见这是个性能不高的操作（其实也够高了，100万象素，循环100遍，耗时400ms），可以在对性能要求不是特别高时使用。

    八、与C/C++的比较

        我测试了很多场景，C# 下指针性能约是 C/C++ 的 70-80%，性能差距，可以忽略。

        相对于C/C++来说，C#无法直接操作硬件是其遗憾，这种情况，可以使用C/C++写段小程序来弥补，不过，我还没遇到这种场景。很多情况都可以P/Invoke解决。     做图像的话，很多时候需要使用显卡加速，如使用CUDA或OpenCL，幸运的是，C#也可以直接写CUDA或OpenCL代码，但是功能可能会受到所用的库的限制。也可以用传统方式写CUDA或OpenCL代码，再P/Invoke调用。如果用传统的C/C++开发的话，也需要做同样的工作。

    和C比较：

        这套方案比C的抽象程度高，我们有模板，有lambda表达式，还有一大票的语法糖。在类库上，比C的类库完善的多。我们还有反射，有命名空间等等一大票的东西。

    和C++比较：     这套方案的抽象程度比C++要低一些。毕竟，值类型无法继承，模板机制比C++ 差一点。但是在生产力上比C++要高很多。抛开C++那一大票陷阱不说，以秒计算的编译速度就够让C++程序员流口水的。当我们在咖啡馆里约会喝咖啡时，C++程序员还正端着一杯咖啡坐在电脑前等待程序编译结束。

    九、接下来的工作

        接下来的工作主要有两个：     内联工具：C# 的内联还不够强大。需要一个内联工具，对想要内联的方法使用特性标记一下，在编译结束后，在IL代码层面内联。     翻译工具：移动开发是个痛。如何将C#的代码翻译成C/C++的代码，在缺乏.Net的运行时下运行？
        这两个工作都不紧要。C#内联效果不好的地方（这种情况很少），可以手动内联。至于移动开发嘛，在哥的一云三端大计中，C# 的定位是云图像开发（C#+CUDA），三端中，桌面运用是用C#和Flash开发，Web和移动应用使用Flash开发，没有C#的事情。

        C/C++ 呢？更没有它们的位置啦！不对，还是有的。用它们来开发Flash应用的核心算法！够另类吧！

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