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：
                     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");
                     }
    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：
    public unsafe class Person
    {
        public int Age;

        public void SetAge(int age)
        {
            fixed (int* p = &Age)
            {
                *p = age;
            }
        }
    }    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  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         }    使用：
            using (UnmanagedMemory memory = new UnmanagedMemory(10))
            {
                int* p = (int*)memory.Handle;
                *p = 20;
                MessageBox.Show(p->ToString());
            }
    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：
             int* p = stackalloc int[10];
             for (int i = 0; i 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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