为什么“decimal”数据类型是非平坦的？

Question

GCHandle.Alloc拒绝锁定包含“decimal”数据类型的结构体数组，但同时可以正常使用“double”。这是什么原因，我是否能够以某种方式解决它？

我知道我可以使用unsafe/fixed来获取指向数组的指针，但这无法与泛型一起使用。 :-(

完整的示例代码可演示该问题。第一个Alloc有效，但第二个会失败并显示“Object contains non-primitive or non-blittable data.”。

    public struct X1
    {
        public double X;
    }

    public struct X2
    {
        public decimal X;
    }

现在试试这个：

        var x1 = new[] {new X1 {X = 42}};
        var handle1 = GCHandle.Alloc(x1, GCHandleType.Pinned); // Works
        var x2 = new[] { new X2 { X = 42 } };
        var handle2 = GCHandle.Alloc(x2, GCHandleType.Pinned); // Fails

- Dan Byström

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decimal 和 double 非常不同。Double 是一种本地类型，而 decimal 是一个 128 位的结构。 - Panagiotis Kanavos

你也可以将double视为一个64位的结构。 - Dan Byström

这不是一个观点问题。Double是一种本地类型，就像“操作系统和CPU本地支持它”一样。Decimal只是一个结构，其内部布局使用4个DWORDs。相同的布局被OLE所使用（实际上这就是它来自的地方），它允许您与VB/VBA交换数据。但是C/C++不知道该怎么做。 - Panagiotis Kanavos

当然，你是正确的，但在这种情况下，我完全不关心数据表示或布局。我只想要一个指向原始数据块的指针。我可以使用上面代码中的“fixed(void* ptr = x1)”来实现。但我想找到一种通用的方法。就这样。结构体包含什么并不重要，只要它们里面没有引用即可。 - Dan Byström

GCHandle.Alloc 拒绝固定甚至 DateTime[] 或 int?[]，仅供参考... - xanatos

Answer 1

  var handle2 = GCHandle.Alloc(x2, GCHandleType.Pinned);

运行时做了一个硬性假设，即您将调用handle.AddrOfPinnedObject()。否则很少有理由分配固定句柄。这将返回一个非托管指针，在C#中为IntPtr。与托管指针不同，您可以使用fixed关键字获取。

此外，它还假定您将向关心值大小和表示的代码传递此指针。但是，无法注入转换，该代码将直接对IntPtr进行操作。这需要值类型是可混合的，这是一个极客词汇，意思是值中的字节可以直接解释或复制，而无需任何转换，并且使用IntPtr的代码能够正确识别该值的可能性相当大。

那是一些.NET类型的问题，例如bool类型就很臭名昭著。只需尝试将此代码与decimal替换为bool，并注意您将获得完全相同的异常。System.Boolean是非常困难的Interop类型，没有主导标准来描述它应该是什么样子。在C语言和Winapi中它是4个字节，在COM Automation中是2个字节，在C++和其他几种语言中是1个字节。换句话说，“其他代码”能够解释1个字节的.NET值的可能性非常小。不可预测的大小特别讨厌，这会使所有后续成员都失效。

与 System.Decimal 类似，没有被广泛采用的标准来确定其内部格式。许多编程语言根本不支持它，尤其是 C 和 C++，如果你使用这样的语言编写代码，则需要使用库。该库可能使用 IEEE 754-2008 十进制浮点数，但这是一个新来者，也遭受“太多标准”的问题。在 CLI 规范编写时，IEEE 854-1987 标准已经存在，但被广泛忽视。今天仍然存在一个问题，几乎没有处理器设计支持十进制浮点数，我只知道 PowerPC 支持。

长话短说，您需要创建自己的可平移类型来存储十进制浮点数。.NET 设计师决定使用 COM Automation 的 Currency 类型来实现 System.Decimal，这是当时由于 Visual Basic 的主要实现。这极不可能改变，因为许多代码依赖于内部格式，使得这段代码最有可能兼容和快速：

    public struct X2 {
        private long nativeDecimal;
        public decimal X {
            get { return decimal.FromOACurrency(nativeDecimal); }
            set { nativeDecimal = decimal.ToOACurrency(value); }
        }
    }

您也可以考虑uint[]和Decimal.Get/SetBits()，但我认为它不太可能更快，您需要尝试。

- Hans Passant

Answer 2

如果你喜欢黑客技术（但是仅限于喜欢）（注意这个应该有效），请看下面的内容。

[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
public struct DecimalSplitted
{
    [FieldOffset(0)]
    public uint UInt0;
    [FieldOffset(4)]
    public uint UInt1;
    [FieldOffset(8)]
    public uint UInt2;
    [FieldOffset(12)]
    public uint UInt3;
}

[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
public struct DecimalToUint
{
    [FieldOffset(0)]
    public DecimalSplitted Splitted;
    [FieldOffset(0)]
    public decimal Decimal;
}

[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
public struct StructConverter
{
    [FieldOffset(0)]
    public decimal[] Decimals;

    [FieldOffset(0)]
    public DecimalSplitted[] Splitted;
}

然后：

var decimals = new decimal[] { 1M, 2M, decimal.MaxValue, decimal.MinValue };

DecimalSplitted[] asUints = new StructConverter { Decimals = decimals }.Splitted;

// Works correctly
var h = GCHandle.Alloc(asUints, GCHandleType.Pinned);

// But here we don't need it :-)
h.Free();

for (int i = 0; i < asUints.Length; i++)
{
    DecimalSplitted ds = new DecimalSplitted
    {
        UInt0 = asUints[i].UInt0,
        UInt1 = asUints[i].UInt1,
        UInt2 = asUints[i].UInt2,
        UInt3 = asUints[i].UInt3,
    };

    Console.WriteLine(new DecimalToUint { Splitted = ds }.Decimal);
}

我同时使用了两种相当著名的技巧：使用[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]，您可以像C联合一样叠加两个值类型甚至是两个值类型数组。最后一个有问题： Length没有被“重新计算”，因此如果您将一个byte[]与一个long[]叠加在一起，如果您放置一个包含8个字节的数组，则两个字段都将显示长度为8，但如果您尝试访问long[1]，程序将崩溃。 在这种情况下，这不是问题，因为这两个结构具有相同的sizeof。

请注意，我使用了4个uint，但我也可以使用2个ulong或16个byte。

- xanatos

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我知道这些，但这并不是我想要的。不过我还是点了赞，因为它既酷又有用！ :-) - Dan Byström

Answer 3

可位化类型在托管代码和非托管代码之间传递时不需要转换。MSDN 但是，对于 Decimal 类型则不是这样。其他应用程序或使用您的数据的人如何能够理解 Decimal 结构呢？解决方法是将 Decimal 分解为 2 个整数，一个表示数字，一个表示小数基数，例如将 12.34 分解为 1234 和 2（即 1234 / 10^2）。

要正确将 Decimal 转换为二进制，请使用 GetBits 方法，相反操作有点棘手，this page 中有示例。

- Andrey

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解释是正确的，但解决方法行不通 - 十进制需要四个32位整数，因为数字使用96位。您可以直接从十进制中使用Decimal.GetBits获取整数数组。 - Panagiotis Kanavos

没有其他应用会使用这个。我只想将数组写入/从磁盘读取。这比其他序列化方法（如Protobuf）要快得多。我很惊讶十进制数不起作用。 - Dan Byström

@PanagiotisKanavos 你说得没错，但对于较小的情况，int/long 应该就足够了。 - Andrey

@Andrey 在这种情况下，你不会传输小数，而是将它们转换为不同的表示形式，并存在舍入和缩放误差。仅传输这128位将比进行转换快得多。 - Panagiotis Kanavos

我的解决办法可能是在涉及到十进制时采用unsafe/fixed，但在其他情况下保持通用。 - Dan Byström

Answer 4

这段代码（从另一个我现在找不到的 SO 问题重构而来）使用 decimal[] 完全没有问题。你的问题在于decimal 是可引用类型（blittable），但不是原始类型，包含非原始类型的结构体是无法固定（pinnable）的（GCHandle.Alloc 显示错误“对象包含非原始或非可引用数据。”）。

为什么 decimal 不是原始类型？

/// <summary>
/// Helper class for generic array pointers
/// </summary>
/// <typeparam name="T"></typeparam>
internal class GenericArrayPinner<T> : IDisposable
{
    GCHandle _pinnedArray;
    private T[] _arr;
    public GenericArrayPinner(T[] arr)
    {
        _pinnedArray = GCHandle.Alloc(arr, GCHandleType.Pinned);
        _arr = arr;
    }
    public static implicit operator IntPtr(GenericArrayPinner<T> ap)
    {

        return ap._pinnedArray.AddrOfPinnedObject();
    }

    /// <summary>
    /// Get unmanaged poinetr to the nth element of generic array
    /// </summary>
    /// <param name="n"></param>
    /// <returns></returns>
    public IntPtr GetNthPointer(int n)
    {
        return Marshal.UnsafeAddrOfPinnedArrayElement(this._arr, n);
    }

    public void Dispose()
    {
        _pinnedArray.Free();
        _arr = null;
    }
}

- V.B.