C# MemoryMarshal类详解（高性能内存操作与Span

什么是 MemoryMarshal？

MemoryMarshal 是 .NET Core 2.1 引入的一个静态工具类，位于 System.Runtime.InteropServices 命名空间。它提供了一系列不安全但高效的方法，用于在 Span<T>、ReadOnlySpan<T>、数组、指针等类型之间进行零拷贝转换。

它的核心价值在于：在不牺牲 内存安全性 的前提下，实现接近 C/C++ 的性能。这正是 高性能内存操作 的关键所在。

为什么需要 MemoryMarshal？

传统 C# 中，如果你要将一个字节数组转换为整数数组，通常需要遍历并逐个赋值，效率低下：

// 低效的传统方式byte[] bytes = { 1, 0, 0, 0, 2, 0, 0, 0 };int[] ints = new int[bytes.Length / 4];for (int i = 0; i < ints.Length; i++){    ints[i] = BitConverter.ToInt32(bytes, i * 4);}

而使用 MemoryMarshal，我们可以直接“重新解释”内存布局，无需复制或循环：

using System;using System.Runtime.InteropServices;byte[] bytes = { 1, 0, 0, 0, 2, 0, 0, 0 };Span<byte> byteSpan = bytes;// 将 byte Span 重新解释为 int Span（假设小端序）Span<int> intSpan = MemoryMarshal.Cast<byte, int>(byteSpan);Console.WriteLine(intSpan[0]); // 输出: 1Console.WriteLine(intSpan[1]); // 输出: 2

注意：这里没有发生任何内存复制！只是改变了对同一块内存的“视角”。这就是 C# unsafe 优化 的精髓——用安全的方式做不安全的事。

常用方法详解

1. Cast<TFrom, TTo>

将 Span<TFrom> 转换为 Span<TTo>，要求两个类型的大小兼容（例如 byte 和 int，因为 4 个 byte 可组成 1 个 int）。

Span<float> floats = new float[] { 1.0f, 2.0f };Span<int> ints = MemoryMarshal.Cast<float, int>(floats);

2. GetReference

获取 Span 中第一个元素的引用（ref），可用于底层操作。

Span<int> span = stackalloc int[3] { 10, 20, 30 };ref int first = ref MemoryMarshal.GetReference(span);

3. AsBytes 和 AsChars

将任意结构体或基本类型的 Span 转换为字节或字符表示，常用于序列化。

Span<int> numbers = new int[] { 0x12345678 };Span<byte> bytes = MemoryMarshal.AsBytes(numbers);// bytes 现在包含 { 0x78, 0x56, 0x34, 0x12 }（小端序）

安全注意事项

虽然 MemoryMarshal 不需要标记 unsafe 关键字，但它本质上是在做“类型双关”（type punning）。因此必须注意：

• 确保源类型和目标类型的大小兼容（例如不能把 1 个 byte 当作 1 个 long）
• 注意字节序（endianness）问题，尤其在跨平台时
• 不要用于包含引用类型（如 string、class）的结构体

只要遵循这些规则，你就能安全地享受 Span<T> 内存安全 带来的高性能红利。

实战案例：快速解析二进制协议

假设你收到一个二进制数据包，前4字节是长度，后4字节是ID。使用 MemoryMarshal 可以零分配解析：

public readonly struct PacketHeader{    public readonly int Length;    public readonly int Id;    public PacketHeader(ReadOnlySpan<byte> data)    {        var headerSpan = MemoryMarshal.Cast<byte, PacketHeader>(data);        this = headerSpan[0];    }}// 使用byte[] buffer = { 10, 0, 0, 0, 42, 0, 0, 0 };var header = new PacketHeader(buffer);Console.WriteLine($"Length: {header.Length}, ID: {header.Id}");// 输出: Length: 10, ID: 42

总结

MemoryMarshal 是 C# 高性能编程的利器。通过它，我们可以在不使用 unsafe 代码的情况下，实现高效的内存重解释操作。无论是网络通信、文件解析还是游戏开发，掌握 C# MemoryMarshal、高性能内存操作、Span<T> 内存安全 和 C# unsafe 优化 这四大关键词所代表的技术，都将让你的程序更快、更省资源。

记住：性能优化的前提是正确性。在使用 MemoryMarshal 时，务必理解其底层原理，避免内存越界或类型错位。祝你在 C# 高性能之旅中一帆风顺！