C# 結構體序列化實戰：跨進程記憶體佈局與 Marshal 互操作

場景：為什麼需要手工序列化結構體？

在與 C/C++ DLL 互操作、共享記憶體、網路封包組裝、硬體通訊等場景，必須確保結構體在記憶體中的位元組佈局與非託管端完全一致。C# 預設的序列化器（BinaryFormatter、JSON、Protobuf）皆不保證記憶體佈局，故需使用 System.Runtime.InteropServices.Marshal 進行精確控制。

結構體定義：屬性控制佈局

[StructLayout(LayoutKind.Sequential, CharSet = CharSet.Ansi, Pack = 1)]
public struct DataPacket
{
    public int MessageID;                    // 4 bytes
    public double Price;                     // 8 bytes
    public long Quantity;                    // 8 bytes

    [MarshalAs(UnmanagedType.ByValTStr, SizeConst = 20)]
    public string Symbol;                    // 固定 20 字節 ANSI 字串
    // 若需字元陣列可改用：
    // [MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 20)]
    // public char[] Symbol;
}

屬性解析：

• LayoutKind.Sequential：按宣告順序依序排列，配合 Pack = 1 取消對齊填充，確保緊湊佈局。
• CharSet.Ansi：字串以 ANSI 編碼（單字節）封送，避免 Unicode 雙字節導致大小不符。
• MarshalAs(ByValTStr, SizeConst=20)：固定長度字串，直接內嵌於結構體中，不另行配置堆記憶體。

序列化：結構體 → 位元組陣列

public static byte[] Serialize(T structure) where T : struct
{
    int size = Marshal.SizeOf();                 // 取得非託管大小
    IntPtr ptr = Marshal.AllocHGlobal(size);        // 非託管堆配置記憶體
    try
    {
        Marshal.StructureToPtr(structure, ptr, false); // 複製結構體到非託管記憶體
        byte[] bytes = new byte[size];
        Marshal.Copy(ptr, bytes, 0, size);          // 複製到託管位元組陣列
        return bytes;
    }
    finally
    {
        Marshal.FreeHGlobal(ptr);                   // 必須釋放非託管記憶體
    }
}

反序列化：位元組陣列 → 結構體

public static T Deserialize(byte[] data) where T : struct
{
    int size = Marshal.SizeOf();
    if (data.Length < size) throw new ArgumentException("資料長度不足");

    IntPtr ptr = Marshal.AllocHGlobal(size);
    try
    {
        Marshal.Copy(data, 0, ptr, size);           // 託管 → 非託管
        return Marshal.PtrToStructure(ptr);      // 非託管 → 結構體
    }
    finally
    {
        Marshal.FreeHGlobal(ptr);
    }
}

完整範例：共享記憶體讀寫

// 寫入端
var packet = new DataPacket
{
    MessageID = 1,
    Price = 1.23,
    Quantity = 100,
    Symbol = "AAPL"
};
byte[] raw = Serialize(packet);
SharedMemory.Write(raw, raw.Length);  // 假設的共享記憶體類別

// 讀取端
byte[] buffer = new byte[Marshal.SizeOf()];
SharedMemory.Read(ref buffer);
var recv = Deserialize(buffer);
Console.WriteLine($"{recv.MessageID},{recv.Quantity},{recv.Price},{recv.Symbol}");

效能優化建議

1. 緩衝區重用：高頻場景下，預先配置 byte[] 與 IntPtr，避免頻繁 GC 壓力。
2. Span<byte> / Memory<byte>：.NET Core 3.0+ 可搭配 MemoryMarshal.Cast 實現零複製轉換。
3. 避免字串：傾向使用 fixed char[] 或 byte[] 承載固定長度文本，減少封送開銷。