C#使用struct直接转换下位机数据的示例代码

编写上位机与下位机通信的时候,涉及到协议的转换,比较多会使用到二进制。传统的方法,是将数据整体获取到byte数组中,然后逐字节对数据进行解析。这样操作工作量比较大,对于较长数据段更容易计算位置出错。

其实,对于下位机给出通讯的数据结构的情况下,可以直接使用C#的struct将数据直接转换。需要使用到Marshal

数据结构

假定下位机(C语言编写)给到我们的数据结构是这个,传输方式为小端方式

typedef struct {
	unsigned long int time;   // 4个字节
	float tmpr[3];     // 4*3 个字节
	float forces[6];     // 4*6个字节
	float distance[6];    // 4*6个字节
} dataItem_t;

方法1

首先需要定义一个struct:

[StructLayout(LayoutKind.Sequential, Size = 64, Pack = 1)]
public struct HardwareData
{
 //[FieldOffset(0)]
 public UInt32 Time;   // 4个字节
 [MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 3)]
 //[FieldOffset(4)]
 public float[] Tmpr;     // 3* 4个字节
 //[FieldOffset(16)]
 [MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 6)]
 public float[] Forces;     // 6* 4个字节
 //[FieldOffset(40)]
 [MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 6)]
 public float[] Distance;    // 6*4个字节
}

然后使用以下代码进行转换

// code from https://stackoverflow.com/questions/628843/byte-for-byte-serialization-of-a-struct-in-c-sharp/629120#629120
/// <summary>
/// converts byte[] to struct
/// </summary>
public static T RawDeserialize<T>(byte[] rawData, int position)
{
 int rawsize = Marshal.SizeOf(typeof(T));
 if (rawsize > rawData.Length - position)
  throw new ArgumentException("Not enough data to fill struct. Array length from position: " + (rawData.Length - position) + ", Struct length: " + rawsize);
 IntPtr buffer = Marshal.AllocHGlobal(rawsize);
 Marshal.Copy(rawData, position, buffer, rawsize);
 T retobj = (T)Marshal.PtrToStructure(buffer, typeof(T));
 Marshal.FreeHGlobal(buffer);
 return retobj;
}

/// <summary>
/// converts a struct to byte[]
/// </summary>
public static byte[] RawSerialize(object anything)
{
 int rawSize = Marshal.SizeOf(anything);
 IntPtr buffer = Marshal.AllocHGlobal(rawSize);
 Marshal.StructureToPtr(anything, buffer, false);
 byte[] rawDatas = new byte[rawSize];
 Marshal.Copy(buffer, rawDatas, 0, rawSize);
 Marshal.FreeHGlobal(buffer);
 return rawDatas;
}

注意这里我使用的方式为LayoutKind.Sequential,如果直接使用LayoutKind.Explicit并设置FieldOffset会弹出一个诡异的错误System.TypeLoadException:“Could not load type 'ConsoleApp3.DataItem' from assembly 'ConsoleApp3, Version=1.0.0.0, Culture=neutral, PublicKeyToken=null' because it contains an object field at offset 4 that is incorrectly aligned or overlapped by a non-object field.”

方法2

提示是对齐的错误,这个和编译的时候使用的32bit和64位是相关的,详细数据封送对齐的操作我不就详细说了,贴下代码。

//强制指定x86编译
[StructLayout(LayoutKind.Explicit, Size = 64, Pack = 1)]
public struct DataItem
{
 [MarshalAs(UnmanagedType.U4)]
 [FieldOffset(0)]
 public UInt32 time;   // 4个字节
 [MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 3, ArraySubType = UnmanagedType.R4)]
 [FieldOffset(4)]
 public float[] tmpr;     // 3* 4个字节
 [FieldOffset(16)]
 [MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 6, ArraySubType = UnmanagedType.R4)]
 public float[] forces;     // 6* 4个字节
 [FieldOffset(40)]
 [MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 6, ArraySubType = UnmanagedType.R4)]
 public float[] distance;    // 6*4个字节
}

强制指定x64编译没有成功,因为数据对齐后和从下位机上来的数据长度是不符的。

方法3

微软不是很推荐使用LayoutKind.Explicit,如果非要用并且不想指定平台的话,可以使用指针来操作,当然,这个需要unsafe

var item = RawDeserialize<DataItem>(tail.ToArray(), 0);
unsafe
{
 float* p = &item.forces;
 for (int i = 0; i < 6; i++)
 {
  Console.WriteLine(*p);
  p++;
 }
}

[StructLayout(LayoutKind.Explicit, Size = 64, Pack = 1)]
public struct DataItem
{
 [FieldOffset(0)]
 public UInt32 time;   // 4个字节
 [FieldOffset(4)]
 public float tmpr;     // 3* 4个字节
 [FieldOffset(16)]
 public float forces;     // 6* 4个字节
 [FieldOffset(40)]
 public float distance;    // 6*4个字节
}

方法4

感觉写起来还是很麻烦,既然用上了unsafe,就干脆直接一点。

[StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 1)]
public unsafe struct DataItem
{
 public UInt32 time;   // 4个字节
 public fixed float tmpr[3];     // 3* 4个字节
 public fixed float forces[6];     // 6* 4个字节
 public fixed float distance[6];    // 6*4个字节
}

这样,获得数组可以直接正常访问,不再需要unsafe了。

总结

数据解析作为上下位机通讯的常用操作,使用struct直接转换数据可以大大简化工作量。建议还是使用LayoutKind.Sequential来进行封送数据,有关于数据在托管与非托管中的转换,可以详细看看微软有关互操作的内容。

以上代码在.NET 5.0下编译通过并能正常执行。

补充

注意上面的前提要求是字节序为小端字节序(一般计算机都是小端字节序),对于大端字节序发送过来的数据,需要进行字节序转换。我找到一处代码写的很好:

//CODE FROM https://stackoverflow.com/a/15020402
public static class FooTest
{
 [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 1)]
 public struct Foo2
 {
  public byte b1;
  public short s;
  public ushort S;
  public int i;
  public uint I;
  public long l;
  public ulong L;
  public float f;
  public double d;
  [MarshalAs(UnmanagedType.ByValTStr, SizeConst = 10)]
  public string MyString;
 }

 [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 1)]
 public struct Foo
 {
  public byte b1;
  public short s;
  public ushort S;
  public int i;
  public uint I;
  public long l;
  public ulong L;
  public float f;
  public double d;
  [MarshalAs(UnmanagedType.ByValTStr, SizeConst = 10)]
  public string MyString;
  public Foo2 foo2;
 }

 public static void test()
 {
  Foo2 sample2 = new Foo2()
  {
   b1 = 0x01,
   s = 0x0203,
   S = 0x0405,
   i = 0x06070809,
   I = 0x0a0b0c0d,
   l = 0xe0f101112131415,
   L = 0x161718191a1b1c,
   f = 1.234f,
   d = 4.56789,
   MyString = @"123456789", // null terminated => only 9 characters!
  };

  Foo sample = new Foo()
  {
   b1 = 0x01,
   s = 0x0203,
   S = 0x0405,
   i = 0x06070809,
   I = 0x0a0b0c0d,
   l = 0xe0f101112131415,
   L = 0x161718191a1b1c,
   f = 1.234f,
   d = 4.56789,
   MyString = @"123456789", // null terminated => only 9 characters!
   foo2 = sample2,
  };

  var bytes_LE = Dummy.StructToBytes(sample, Endianness.LittleEndian);
  var restoredLEAsLE = Dummy.BytesToStruct<Foo>(bytes_LE, Endianness.LittleEndian);
  var restoredLEAsBE = Dummy.BytesToStruct<Foo>(bytes_LE, Endianness.BigEndian);

  var bytes_BE = Dummy.StructToBytes(sample, Endianness.BigEndian);
  var restoredBEAsLE = Dummy.BytesToStruct<Foo>(bytes_BE, Endianness.LittleEndian);
  var restoredBEAsBE = Dummy.BytesToStruct<Foo>(bytes_BE, Endianness.BigEndian);

  Debug.Assert(sample.Equals(restoredLEAsLE));
  Debug.Assert(sample.Equals(restoredBEAsBE));
  Debug.Assert(restoredBEAsLE.Equals(restoredLEAsBE));
 }

 public enum Endianness
 {
  BigEndian,
  LittleEndian
 }

 private static void MaybeAdjustEndianness(Type type, byte[] data, Endianness endianness, int startOffset = 0)
 {
  if ((BitConverter.IsLittleEndian) == (endianness == Endianness.LittleEndian))
  {
   // nothing to change => return
   return;
  }

  foreach (var field in type.GetFields())
  {
   var fieldType = field.FieldType;
   if (field.IsStatic)
    // don't process static fields
    continue;

   if (fieldType == typeof(string))
    // don't swap bytes for strings
    continue;

   var offset = Marshal.OffsetOf(type, field.Name).ToInt32();

   // handle enums
   if (fieldType.IsEnum)
    fieldType = Enum.GetUnderlyingType(fieldType);

   // check for sub-fields to recurse if necessary
   var subFields = fieldType.GetFields().Where(subField => subField.IsStatic == false).ToArray();

   var effectiveOffset = startOffset + offset;

   if (subFields.Length == 0)
   {
    Array.Reverse(data, effectiveOffset, Marshal.SizeOf(fieldType));
   }
   else
   {
    // recurse
    MaybeAdjustEndianness(fieldType, data, endianness, effectiveOffset);
   }
  }
 }

 internal static T BytesToStruct<T>(byte[] rawData, Endianness endianness) where T : struct
 {
  T result = default(T);

  MaybeAdjustEndianness(typeof(T), rawData, endianness);

  GCHandle handle = GCHandle.Alloc(rawData, GCHandleType.Pinned);

  try
  {
   IntPtr rawDataPtr = handle.AddrOfPinnedObject();
   result = (T)Marshal.PtrToStructure(rawDataPtr, typeof(T));
  }
  finally
  {
   handle.Free();
  }

  return result;
 }

 internal static byte[] StructToBytes<T>(T data, Endianness endianness) where T : struct
 {
  byte[] rawData = new byte[Marshal.SizeOf(data)];
  GCHandle handle = GCHandle.Alloc(rawData, GCHandleType.Pinned);
  try
  {
   IntPtr rawDataPtr = handle.AddrOfPinnedObject();
   Marshal.StructureToPtr(data, rawDataPtr, false);
  }
  finally
  {
   handle.Free();
  }

  MaybeAdjustEndianness(typeof(T), rawData, endianness);

  return rawData;
 }

}

参考资料

https://www.developerfusion.com/article/84519/mastering-structs-in-c/

https://stackoverflow.com/a/15020402

https://stackoverflow.com/questions/628843/byte-for-byte-serialization-of-a-struct-in-c-sharp/629120

https://stackoverflow.com/questions/2871/reading-a-c-c-data-structure-in-c-sharp-from-a-byte-array/41836532

到此这篇关于C#使用struct直接转换下位机数据的文章就介绍到这了,更多相关C#下位机数据内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们!

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