编写不安全代码

编写不安全代码

MSDN:"尽管实际上对 C 或 C++ 中的每种指针类型构造，C# 都设置了与之对应的引用类型，但仍然会有一些场合需要访问指针类型。例如，当需要与基础操作系统进行交互、访问内存映射设备，或实现一些以时间为关键的算法时，若没有访问指针的手段，就不可能或者至少很难完成。为了满足这样的需求，C# 提供了编写不安全代码的能力。

在不安全代码中，可以声明和操作指针，可以在指针和整型之间执行转换，还可以获取变量的地址，等等。在某种意义上，编写不安全代码很像在 C# 程序中编写 C 代码。"

不安全代码必须用修饰符 unsafe 明确地标记。

这里所谓的编写"不安全代码",就是要跳出.net CLR的限制,自己进行地址分配和垃圾回收.在C++里面,我们定义一个简单的指针,至少要做三件事,1.给他分配内存,2.保证类型转换正确3将内存空间释放,而在.net环境里,CLR将程序员从这些事情里解放出来,用户不再需要直接手工地进行内存操作。但是有时候,比如调用windows底层函数, 或是效率上的原因使我们需要自己去操作地址空间,本文主要是说明在c#里面指针的用法.

指针的使用、操作内存

1.& 和 *

    c++里面,我们很熟悉这两个东西.在c#里面他们也一样可以用,只不过含有他们的代码如果不在unsafe 标记下,编译器将会将它拒之门外.当然如果条件编译参数没有/unsafe 也是无法编译通过的(如果用vs.net集成编译环境,则在项目属性页-代码生成节将"允许不安全代码块"设置成true).

    &可以取得变量的地址,但是并不是所有的变量,托管类型,将无法取得其地址.c#里面,普通的值类型都是可以取得地址的,比如struct,int,long等,而class是无法取得其地址的,另外string是比较特殊的类型,虽然是值类型,但它也是受管的.这里插一下另一个运算符,sizeof,它也是仅可用于unsafe模式下.

看下面这段代码,里面简单的用到了*,&,sizeof,还有c#里很少见但c++里大家很熟的->:

class Class1
    {
        struct Point
        {
            public int x;
            public int y;
        }
        public static unsafe void Main() 
        {
            Point pt = new Point();
            Point* pt1 = &pt;
            int* px = &(pt1->x);
            int* py = &(pt1->y);
            Console.WriteLine("Address of pt is :0x{0:X} ",(uint)&pt);
            Console.WriteLine("size of the struct :{0} ",sizeof(Point));
            Console.WriteLine("Address of pt.x is :0x{0:X} ",(uint)&(pt.x));
            Console.WriteLine("Address of pt.y is :0x{0:X} ",(uint)&(pt.y));
            Console.WriteLine("Address of px is :0x{0:X} ",(uint)&(*px));
            Console.WriteLine("Address of py is :0x{0:X} ",(uint)&(*py));
            Console.ReadLine();
        }
    }

我这里运行的输出结果是:

Address of pt is :0x12F698
size of the struct :8
Address of pt.x is :0x12F698
Address of pt.y is :0x12F69C
Address of px is :0x12F698
Address of py is :0x12F69C

可以看出struct的首地址与第一个成员变量的地址相同,而这个struct的长度是8个字节(=4+4).

2.fixed

虽然在unsafe模式下可以使用指针,但是unsafe的代码仍然是受管代码.CLR会对它的对象进行管理以及垃圾回收,CLR在这个过程中就会对内存进行重定位,可能过一段时间后,根据指针指向的地址就找不到原来的对象了,岂不是说指针在c#里没有什么实际的作用?别急,还有fixed.

fixed 语句设置指向托管变量的指针并在fixed里的语句块执行期间“锁定”该变量(或者是几个变量)。如果没有 fixed 语句，则指向托管变量的指针将作用很小，因为垃圾回收可能不可预知地重定位变量。（实际上，除非在 fixed 语句中，否则 C# 不允许设置指向托管变量的指针。）

看一段与刚才类似的代码,不同的地方是这里的输出地址的语句都在fixed块里.为什么不直接像第一个例子那样直接输出呢?这是因为我们对 Point进行了一个小小的改动,它不再是struct了,它现在是class!它是托管类型了,它的成员都没有固定的地址.但是在fixed块里,它的地址是固定的.

class Point
        {    
            public static int x;
            public int y;
        }
        public static unsafe void Main() 
        {
            Point pt = new Point();
            int[] arr = new int[10];
            //如果不用fixed语句，无论是静态成员还是实例成员，都将无法取得其地址。
            //int* ps = &CPoint.StaticField;
            //PrintAddress(ps);
            fixed (int* p = &Point.x)
                Console.WriteLine("Address is 0x{0:X}",(int)p);
            fixed (int* p = &pt.y) 
                Console.WriteLine("Address is 0x{0:X}",(int)p);
            fixed (int* p1 = &arr[0],p2 = arr)
            {
                Console.WriteLine("Address is 0x{0:X}",(int)p1);
                Console.WriteLine("Address is 0x{0:X}",(int)p2);
            }
            Console.ReadLine();
        }

我这里运行的输出结果是:

Address is 0x3D5404
Address is 0x4BF1968
Address is 0x4BF1978
Address is 0x4BF1978

3.分配内存

在堆栈上分配内存

c#提供stackalloc ,在堆栈上而不是在堆上分配一个内存块，语句为 type * ptr = stackalloc type [ expr ];它的大小足以包含 type 类型的 expr 元素；该块的地址存储在 ptr 指针中。此内存不受垃圾回收的制约，因此不必使用fixed将其固定。此内存块的生存期仅限于定义该内存块的方法的生存期。如果内存空间不足,将会抛出System.StackOverflowException异常.

以下是一段示例程序(form msdn),

public static unsafe void Main() 
{
    int* fib = stackalloc int[100];
    int* p = fib;
    *p++ = *p++ = 1;    //fib[0]=fib[1]=1
    for (int i=2; i<100; ++i, ++p)
        *p = p[-1] + p[-2];//fib[i]=fib[i-1]+fib[i-2];
    for (int i=0; i<10; ++i)
        Console.WriteLine (fib[i]);
    Console.ReadLine();
}

在堆上分配内存

既然有stackalloc,有没有heapalloc呢?答案是没有,c#没有提供这样的语法.想在堆上动态分配内存,只能靠自己想办法了.通过Kernel32.dll里的HeapAlloc()和HeapFree()可以达到这个目的.看下面的代码:

using System;
using System.Runtime.InteropServices;
public unsafe class Memory
{
    const int HEAP_ZERO_MEMORY = 0x00000008;//内存起始地址
    //获得进程堆的句柄
    [DllImport("kernel32")]
    static extern int GetProcessHeap();
    //内存分配
    [DllImport("kernel32")]
    static extern void* HeapAlloc(int hHeap, int flags, int size);
    //内存释放
    [DllImport("kernel32")]
    static extern bool HeapFree(int hHeap, int flags, void* block);
    static int ph = GetProcessHeap();//获得进程堆的句柄
    private Memory() {}
    public static void* Alloc(int size) //内存分配
    {
        void* result = HeapAlloc(ph, HEAP_ZERO_MEMORY, size);
        if (result == null) throw new OutOfMemoryException();
        return result;
    }
    public static void Free(void* block) //内存释放
    {
        if (!HeapFree(ph, 0, block)) throw new InvalidOperationException();
    }
}
class Test
{
    unsafe static void Main() 
    {
        byte* buffer = (byte*)Memory.Alloc(256);
        for (int i = 0; i < 256; i++) 
            buffer[i] = (byte)i;
        for (int i = 0; i < 256; i++) 
            Console.WriteLine(buffer[i]);
        Memory.Free(buffer);
        Console.ReadLine();
    }
}