C#+无unsafe的非托管大数组示例详解(large unmanaged array in c# without ‘unsafe’ keyword)
C#申请一个大数组(Use a large array in C#)
在C#里，有时候我需要能够申请一个很大的数组、使用之、然后立即释放其占用的内存。
Sometimes I need to allocate a large array, use it and then release its memory space immediately.
由于在C#里提供的 int[] array = new int[1000000]; 这样的数组，其内存释放很难由程序员完全控制，在申请一个大数组后，程序可能会变得很慢。
If I use something like int[] array = new int[1000000]; , it will be difficult to release its memory space by programmer and the app probably runs slower and slower.
特别是在C#+OpenGL编程中，我在使用VAO/VBO时十分需要设计一个非托管的数组，比如在glBufferData时我希望可以使用下面的glBufferData：
Specially in C#+OpenGL routines when I’m using VAO/VBO, I need an unmanaged array for glBufferData:
/// 而在指定VBO的数据时，可能是float、vec3等等类型：
And the content in VBO can be float, vec3 and any other structs.
/// 所以我设计了这样一个非托管的数组类型：无unsafe，可接收任何struct类型作为泛型参数，可随时释放内存。
So I designed this UnmangedArray : no ‘unsafe’ keyword, takes any struct as generic parameter, can be released anytime you want.
1 /// 不能使用enum类型作为T。
4 ///
5 /// sbyte, byte, char, short, ushort, int, uint, long, ulong, float, double, decimal, bool或其它struct, 不能使用enum类型作为T。
6 public class UnmanagedArray<T> : UnmanagedArrayBase where T : struct
7 {
8
9 /// true to release both managed and unmanaged resources; false to release only unmanaged resources.
142 protected void Dispose(Boolean disposing)
143 {
144 if (disposed)
145 {
146 return;
147 }
148
149 if (disposing)
150 {
151 //Managed cleanup code here, while managed refs still valid
152 }
153 //Unmanaged cleanup code here
154 IntPtr ptr = this.Header;
155
156 if (ptr != IntPtr.Zero)
157 {
158 this.Count = 0;
159 this.Header = IntPtr.Zero;
160 Marshal.FreeHGlobal(ptr);
161 }
162
163 disposed = true;
164 }
165
166 /// UnmanagedArray
如何使用(How to use)
UnmanagedArray使用方式十分简单，就像一个普通的数组一样：
Using UnamangedAray is just like a normal array(int[], vec3[], etc.):
internal static void TypicalScene()
{
const int count = 100;
// 测试float类型
var floatArray = new UnmanagedArray<float>(count);
for (int i = 0; i < count; i++)
{
floatArray[i] = i;
}
for (int i = 0; i < count; i++)
{
var item = floatArray[i];
if (item != i)
{ throw new Exception(); }
}
// 测试int类型
var intArray = new UnmanagedArray<int>(count);
for (int i = 0; i < count; i++)
{
intArray[i] = i;
}
for (int i = 0; i < count; i++)
{
var item = intArray[i];
if (item != i)
{ throw new Exception(); }
}
// 测试bool类型
var boolArray = new UnmanagedArray<bool>(count);
for (int i = 0; i < count; i++)
{
boolArray[i] = i % 2 == 0;
}
for (int i = 0; i < count; i++)
{
var item = boolArray[i];
if (item != (i % 2 == 0))
{ throw new Exception(); }
}
// 测试vec3类型
var vec3Array = new UnmanagedArray<vec3>(count);
for (int i = 0; i < count; i++)
{
vec3Array[i] = new vec3(i * 3 + 0, i * 3 + 1, i * 3 + 2);
}
for (int i = 0; i < count; i++)
{
var item = vec3Array[i];
var old = new vec3(i * 3 + 0, i * 3 + 1, i * 3 + 2);
if (item.x != old.x || item.y != old.y || item.z != old.z)
{ throw new Exception(); }
}
// 测试foreach
foreach (var item in vec3Array.GetElements())
{
Console.WriteLine(item);
}
// 释放此数组占用的内存，这之后就不能再使用vec3Array了。
vec3Array.Dispose();
// 立即释放所有非托管数组占用的内存，这之后就不能再使用上面申请的数组了。
UnmanagedArrayBase.FreeAll();
}
快速读写UnmanagedArray
UnmanagedArrayHelper
由于很多时候需要申请和使用很大的UnmanagedArray，直接使用this[index]索引方式速度会偏慢，所以我添加了几个辅助方法，专门解决快速读写UnmanagedArray的问题。
public static class UnmanagedArrayHelper
{
/ (this UnmanagedArray array) where T : struct
//{
// var header = (void*)array.Header;
// return (T*)header;
//}
/// 如何使用
这个类型实现了3个扩展方法，可以获取UnmanagedArray的第一个元素的位置、最后一个元素的位置、最后一个元素+1的位置。用这种unsafe的方法可以实现C语言一样的读写速度。
下面是一个例子。用unsafe的方式读写UnmanagedArray，速度比this[index]方式快10到70倍。
public static void TypicalScene()
{
int length = 1000000;
UnmanagedArray<int> array = new UnmanagedArray<int>(length);
UnmanagedArray<int> array2 = new UnmanagedArray<int>(length);
long tick = DateTime.Now.Ticks;
for (int i = 0; i < length; i++)
{
array[i] = i;
}
long totalTicks = DateTime.Now.Ticks - tick;
tick = DateTime.Now.Ticks;
unsafe
{
int* header = (int*)array2.FirstElement();
int* last = (int*)array2.LastElement();
int* tailAddress = (int*)array2.TailAddress();
int value = 0;
for (int* ptr = header; ptr <= last/*or: ptr < tailAddress*/; ptr++)
{
*ptr = value++;
}
}
long totalTicks2 = DateTime.Now.Ticks - tick;
Console.WriteLine("ticks: {0}, {1}", totalTicks, totalTicks2);// unsafe method works faster.
for (int i = 0; i < length; i++)
{
if (array[i] != i)
{
Console.WriteLine("something wrong here");
}
if (array2[i] != i)
{
Console.WriteLine("something wrong here");
}
}
array.Dispose();
array2.Dispose();
}
unsafe
{
vec3* header = (vec3*)vec3Array.FirstElement();
vec3* last = (vec3*)vec3Array.LastElement();
vec3* tailAddress = (vec3*)vec3Array.TailAddress();
int i = 0;
for (vec3* ptr = header; ptr <= last/*or: ptr < tailAddress*/; ptr++)
{
*ptr = new vec3(i * 3 + 0, i * 3 + 1, i * 3 + 2);
i++;
}
i = 0;
for (vec3* ptr = header; ptr <= last/*or: ptr < tailAddress*/; ptr++, i++)
{
var item = *ptr;
var old = new vec3(i * 3 + 0, i * 3 + 1, i * 3 + 2);
if (item.x != old.x || item.y != old.y || item.z != old.z)
{ throw new Exception(); }
}
}
2015-08-25
用StructLayout和MarshalAs支持复杂的struct
在OpenGL中我需要用UnmanagedArray，其中mat4定义如下：
1 /// The column at index
15 public vec4 this[int column]
16 {
17 get { return cols[column]; }
18 set { cols[column] = value; }
19 }
20
21 /// mat4
注意：UnmanagedArray支持的struct，T的大小必须是确定的。所以在mat4里我们用 [StructLayout(LayoutKind.Sequential, CharSet = CharSet.Ansi, Size = 4 * 4 * 4)] 指定mat4的大小为4个 vec4 * 4个 float * 4个字节(每个float) = 64字节，并c#教程且在 private vec4[] cols; 上用 [MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 4)] 规定了cols的元素数必须是4。之后在 vec4 上的 [StructLayout(LayoutKind.Sequential, CharSet = CharSet.Ansi, Size = 4 * 4)] 不写也可以，因为vec4只有4个简单的float字段，不含复杂类型。
下面是测试用例。
mat4 matrix = glm.scale(mat4.identity(), new vec3(2, 3, 4));
var size = Marshal.SizeOf(typeof(mat4));
size = Marshal.SizeOf(matrix);
UnmanagedArray<mat4> array = new UnmanagedArray<mat4>(1);
array[0] = matrix;
mat4 newMatirx = array[0]; // newMatrix should be equal to matrix
array.Dispose();
mat4 matrix = glm.scale(mat4.identity(), new vec3(2, 3, 4));
var size = Marshal.SizeOf(typeof(mat4));
size = Marshal.SizeOf(matrix);
UnmanagedArray<mat4> array = new UnmanagedArray<mat4>(1);
array[0] = matrix;
mat4 newMatirx = array[0]; // newMatrix should be equal to matrix
array.Dispose();
如果matrix和newMatrix相等，就说明上述Attribute配置正确了。
总结
到此这篇关于C#+无unsafe的非托管大数组(large unmanaged array in c# without ‘unsafe’ keyword)的文章就介绍到这了