C# 不安全值类型数组到字节数组的转换

Question

我使用扩展方法将浮点数组转换为字节数组：

public static unsafe byte[] ToByteArray(this float[] floatArray, int count)
{
    int arrayLength = floatArray.Length > count ? count : floatArray.Length;
    byte[] byteArray = new byte[4 * arrayLength];
    fixed (float* floatPointer = floatArray)
    {
        fixed (byte* bytePointer = byteArray)
        {
            float* read = floatPointer;
            float* write = (float*)bytePointer;
            for (int i = 0; i < arrayLength; i++)
            {
                *write++ = *read++;
            }
        }
    }
    return byteArray;
}

我了解数组是指向与元素类型和数量信息相关联的内存的指针。此外，在我看来，如果不复制上述数据，就无法在字节数组之间进行转换。

我明白了吗？难道不复制数据就可以编写 IL 来根据指针、类型和长度创建数组吗？

编辑：感谢您的回答，我学到了一些基础知识并开始尝试新技巧！

在最初接受 Davy Landman 的回答后，我发现虽然他出色的 StructLayout hack 确实将字节数组转换为浮点数组，但反过来却行不通。演示：

[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
struct UnionArray
{
    [FieldOffset(0)]
    public Byte[] Bytes;

    [FieldOffset(0)]
    public float[] Floats;
}

static void Main(string[] args)
{
    // From bytes to floats - works
    byte[] bytes = { 0, 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 };
    UnionArray arry = new UnionArray { Bytes = bytes };
    for (int i = 0; i < arry.Bytes.Length / 4; i++)
        Console.WriteLine(arry.Floats[i]);

    // From floats to bytes - index out of range
    float[] floats = { 0.1f, 0.2f, 0.3f };
    arry = new UnionArray { Floats = floats };
    for (int i = 0; i < arry.Floats.Length * 4; i++)
        Console.WriteLine(arry.Bytes[i]);
}

似乎 CLR 认为这两个数组具有相同的长度。如果结构是从浮点数据创建的，则字节数组的长度太短了。

Answer 1

您可以使用非常丑陋的 hack 使用内存操作将数组临时更改为 byte[]。

这真的非常快速和高效，因为它不需要克隆数据并对其进行迭代。

我在 32 位和 64 位操作系统中测试了这个 hack，所以它应该是可移植的。

源代码+示例用法保持在https://gist.github.com/1050703，但为了您的方便，我也将其粘贴在这里：

public static unsafe class FastArraySerializer
{
    [StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
    private struct Union
    {
        [FieldOffset(0)] public byte[] bytes;
        [FieldOffset(0)] public float[] floats;
    }

    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 1)]
    private struct ArrayHeader
    {
        public UIntPtr type;
        public UIntPtr length;
    }

    private static readonly UIntPtr BYTE_ARRAY_TYPE;
    private static readonly UIntPtr FLOAT_ARRAY_TYPE;

    static FastArraySerializer()
    {
        fixed (void* pBytes = new byte[1])
        fixed (void* pFloats = new float[1])
        {
            BYTE_ARRAY_TYPE = getHeader(pBytes)->type;
            FLOAT_ARRAY_TYPE = getHeader(pFloats)->type;
        }
    }

    public static void AsByteArray(this float[] floats, Action<byte[]> action)
    {
        if (floats.handleNullOrEmptyArray(action)) 
            return;

        var union = new Union {floats = floats};
        union.floats.toByteArray();
        try
        {
            action(union.bytes);
        }
        finally
        {
            union.bytes.toFloatArray();
        }
    }

    public static void AsFloatArray(this byte[] bytes, Action<float[]> action)
    {
        if (bytes.handleNullOrEmptyArray(action)) 
            return;

        var union = new Union {bytes = bytes};
        union.bytes.toFloatArray();
        try
        {
            action(union.floats);
        }
        finally
        {
            union.floats.toByteArray();
        }
    }

    public static bool handleNullOrEmptyArray<TSrc,TDst>(this TSrc[] array, Action<TDst[]> action)
    {
        if (array == null)
        {
            action(null);
            return true;
        }

        if (array.Length == 0)
        {
            action(new TDst[0]);
            return true;
        }

        return false;
    }

    private static ArrayHeader* getHeader(void* pBytes)
    {
        return (ArrayHeader*)pBytes - 1;
    }

    private static void toFloatArray(this byte[] bytes)
    {
        fixed (void* pArray = bytes)
        {
            var pHeader = getHeader(pArray);

            pHeader->type = FLOAT_ARRAY_TYPE;
            pHeader->length = (UIntPtr)(bytes.Length / sizeof(float));
        }
    }

    private static void toByteArray(this float[] floats)
    {
        fixed(void* pArray = floats)
        {
            var pHeader = getHeader(pArray);

            pHeader->type = BYTE_ARRAY_TYPE;
            pHeader->length = (UIntPtr)(floats.Length * sizeof(float));
        }
    }
}

而用法是：

var floats = new float[] {0, 1, 0, 1};
floats.AsByteArray(bytes =>
{
    foreach (var b in bytes)
    {
        Console.WriteLine(b);
    }
});

Answer 2

是的，类型信息和数据在同一个内存块中，所以这是不可能的，除非你覆盖浮点数组中的类型信息来欺骗系统它是字节数组。那将是一个非常丑陋的黑客攻击，并且很容易被炸毁......

如果您愿意，可以使用以下方法在不使用不安全代码的情况下转换浮点数：

public static byte[] ToByteArray(this float[] floatArray) {
    int len = floatArray.Length * 4;
    byte[] byteArray = new byte[len];
    int pos = 0;
    foreach (float f in floatArray) {
        byte[] data = BitConverter.GetBytes(f);
        Array.Copy(data, 0, byteArray, pos, 4);
        pos += 4;
    }
    return byteArray;
}

Answer 3

这个问题与What is the fastest way to convert a float[] to a byte[]?相反。

我已回复union kind of hack 跳过整个数据复制。你可以很容易地反转这个 (length = length *sizeof(Double)。

Answer 4

我为数组之间的快速转换写了一些类似的东西。它基本上是一个丑陋的概念验证，而不是一个漂亮的解决方案。 ;)

public static TDest[] ConvertArray<TSource, TDest>(TSource[] source)
    where TSource : struct
    where TDest : struct {

    if (source == null)
        throw new ArgumentNullException("source");

        var sourceType = typeof(TSource);
        var destType = typeof(TDest);

        if (sourceType == typeof(char) || destType == typeof(char))
            throw new NotSupportedException(
                "Can not convert from/to a char array. Char is special " +
                "in a somewhat unknown way (like enums can't be based on " +
                "char either), and Marshal.SizeOf returns 1 even when the " +
                "values held by a char can be above 255."
            );

        var sourceByteSize = Buffer.ByteLength(source);
        var destTypeSize = Marshal.SizeOf(destType);
        if (sourceByteSize % destTypeSize != 0)
            throw new Exception(
                "The source array is " + sourceByteSize + " bytes, which can " +
                "not be transfered to chunks of " + destTypeSize + ", the size " +
                "of type " + typeof(TDest).Name + ". Change destination type or " +
                "pad the source array with additional values."
            );

        var destCount = sourceByteSize / destTypeSize;
        var destArray = new TDest[destCount];

        Buffer.BlockCopy(source, 0, destArray, 0, sourceByteSize);

        return destArray;
    }
}

Answer 5

    public byte[] ToByteArray(object o)
    {
        int size = Marshal.SizeOf(o);
        byte[] buffer = new byte[size];
        IntPtr p = Marshal.AllocHGlobal(size);
        try
        {
            Marshal.StructureToPtr(o, p, false);
            Marshal.Copy(p, buffer, 0, size);
        }
        finally
        {
            Marshal.FreeHGlobal(p);
        }
        return buffer;
    }

这可以帮助您将对象转换为字节数组。

Answer 6

您应该查看我对类似问题的回答：What is the fastest way to convert a float[] to a byte[]?。

您会在其中找到可移植代码（兼容 32/64 位），让您可以将浮点数组视为字节数组或反之亦然，而无需复制数据。这是我所知道的最快的方法。

如果您只是对代码感兴趣，请在https://gist.github.com/1050703 维护。

Answer 7

好吧 - 如果你仍然对那个 hack 感兴趣 - 看看这个修改过的代码 - 它就像一个魅力并且花费大约 0 时间，但它可能在未来无法工作，因为它是一个允许完全访问整个过程的 hack没有信任要求和不安全标记的地址空间。

    [StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
    struct ArrayConvert
    {
        public static byte[] GetBytes(float[] floats)
        {
            ArrayConvert ar = new ArrayConvert();
            ar.floats = floats;
            ar.length.val = floats.Length * 4;
            return ar.bytes;
        }
        public static float[] GetFloats(byte[] bytes)
        {
            ArrayConvert ar = new ArrayConvert();
            ar.bytes = bytes;
            ar.length.val = bytes.Length / 4;
            return ar.floats;
        }

        public static byte[] GetTop4BytesFrom(object obj)
        {
            ArrayConvert ar = new ArrayConvert();
            ar.obj = obj;
            return new byte[]
            {
                ar.top4bytes.b0,
                ar.top4bytes.b1,
                ar.top4bytes.b2,
                ar.top4bytes.b3
            };
        }
        public static byte[] GetBytesFrom(object obj, int size)
        {
            ArrayConvert ar = new ArrayConvert();
            ar.obj = obj;
            ar.length.val = size;
            return ar.bytes;
        }

        class ArrayLength
        {
            public int val;
        }
        class Top4Bytes
        {
            public byte b0;
            public byte b1;
            public byte b2;
            public byte b3;
        }

        [FieldOffset(0)]
        private Byte[] bytes;
        [FieldOffset(0)]
        private object obj;
        [FieldOffset(0)]
        private float[] floats;

        [FieldOffset(0)]
        private ArrayLength length;

        [FieldOffset(0)]
        private Top4Bytes top4bytes;
    }