NET高性能编程 – C#如何安全

前言

作为.net程序员，使用过指针，写过不安全代码吗？

为什么要使用指针，什么时候需要使用它，以及如何安全、高效地使用它？

如果能很好地回答这几个问题，那么就能很好地理解今天了主题了。C#构建了一个托管世界，在这个世界里，只要不写不安全代码，不操作指针，那么就能获得.Net至关重要的安全保障，即什么都不用担心；那如果我们需要操作的数据不在托管内存中，而是来自于非托管内存，比如位于本机内存或者堆栈上，该如何编写代码支持来自任意区域的内存呢？这个时候就需要写不安全代码，使用指针了；而如何安全、高效地操作任何类型的内存，一直都是C#的痛点，今天我们就来谈谈这个话题，讲清楚 What、How 和 Why ，让你知其然，更知其所以然，以后有人问你这个问题，就让他看这篇文章吧，呵呵。

what – 痛点是什么？

回答这个问题前，先总结一下如何用C#操作任何类型的内存：

1. 托管内存（managed memory ）

   var mangedMemory = new Student();
   

   很熟悉吧，只需使用new操作符就分配了一块托管堆内存，而且还不用手工释放它，因为它是由垃圾收集器（GC）管理的，GC会智能地决定何时释放它，这就是所谓的托管内存。默认情况下，GC通过复制内存的方式分代管理小对象（size < 85000 bytes），而专门为大对象（size >= 85000 bytes）开辟大对象堆（LOH），管理大对象时，并不会复制它，而是将其放入一个列表，提供较慢的分配和释放，而且很容易产生内存碎片。

2. 栈内存（stack memory ）

   unsafe{
       var stackMemory = stackalloc byte[100];
   }
   

   很简单，使用stackalloc关键字非常快速地就分配好了一块栈内存，也不用手工释放，它会随着当前作用域而释放，比如方法执行结束时，就自动释放了。栈内存的容量非常小（ ARM、x86 和 x64 计算机，默认堆栈大小为 1 MB），当你使用栈内存的容量大于1M时，就会报StackOverflowException 异常 ，这通常是致命的，不能被处理，而且会立即干掉整个应用程序，所以栈内存一般用于需要小内存，但是又不得不快速执行的大量短操作，比如微软使用栈内存来快速地记录ETW事件日志。

3. 本机内存（native memory ）

   IntPtr nativeMemory0 = default(IntPtr), nativeMemory1 = default(IntPtr);
   try
   {
       unsafe
       {
           nativeMemory0 = Marshal.AllocHGlobal(256);
           nativeMemory1 = Marshal.AllocCoTaskMem(256);
       }
   }
   finally
   {
       Marshal.FreeHGlobal(nativeMemory0);
       Marshal.FreeCoTaskMem(nativeMemory1);
   }
   

   通过调用方法Marshal.AllocHGlobal或Marshal.AllocCoTaskMem来分配非托管堆内存，非托管就是垃圾回收器（GC）不可见的意思，并且还需要手工调用方法Marshal.FreeHGlobal or Marshal.FreeCoTaskMem 释放它，千万不能忘记，不然就内存泄漏了。

抛砖引玉 – 痛点

首先我们设计一个解析完整或部分字符串为整数的API，如下：

public interface IntParser
{
    // allows us to parse the whole string.
    int Parse(string managedMemory);

    // allows us to parse part of the string.
    int Parse(string managedMemory, int startIndex, int length);

    // allows us to parse characters stored on the unmanaged heap / stack.
    unsafe int Parse(char* pointerToUnmanagedMemory, int length);

    // allows us to parse part of the characters stored on the unmanaged heap / stack.
    unsafe int Parse(char* pointerToUnmanagedMemory, int startIndex, int length); 
}

从上面可以看到，为了支持解析来自任何内存区域的字符串，一共写了4个重载方法。

接下来在来设计一个支持复制任何内存块的API，如下：

public interface MemoryblockCopier
{
    void Copy<T>(T[] source, T[] destination);
    void Copy<T>(T[] source, int sourceStartIndex, T[] destination, int destinationStartIndex, int elementsCount);
    unsafe void Copy<T>(void* source, void* destination, int elementsCount);
    unsafe void Copy<T>(void* source, int sourceStartIndex, void* destination, int destinationStartIndex, int elementsCount);
    unsafe void Copy<T>(void* source, int sourceLength, T[] destination);
    unsafe void Copy<T>(void* source, int sourceStartIndex, T[] destination, int destinationStartIndex, int elementsCount);
}

脑袋蒙圈没，以前C#操纵各种内存就是这么复杂、麻烦。通过上面的总结如何用C#操作任何类型的内存，相信大多数同学都能够很好地理解这两个类的设计，但我心里是没底的，因为使用了不安全代码和指针，这些操作是危险的、不可控的，根本无法获得.net至关重要的安全保障，并且可能还会有难以预估的问题，比如堆栈溢出、内存碎片、栈撕裂等等，微软的工程师们早就意识到了这个痛点，所以span诞生了，它就是这个痛点的解决方案。

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