如何在C#中使用指针_c#

一：背景

1. 讲故事

高级语言玩多了，可能很多人对指针或者汇编都淡忘了，本篇就和大家聊一聊指针，虽然c#中是不提倡使用的，但你能说指针在c#中不重要吗？你要知道fcl内库中大量的使用指针，如string,encoding,filestream等等数不胜数，如例代码：

	private unsafe static bool equalshelper(string stra, string strb)
	{
		fixed (char* ptr = &stra.m_firstchar)
		{
			fixed (char* ptr3 = &strb.m_firstchar)
			{
				char* ptr2 = ptr;
				char* ptr4 = ptr3;
				while (num >= 12) {...}
				while (num > 0 && *(int*)ptr2 == *(int*)ptr4) {...}
			}
		}
	}

	public unsafe mutex(bool initiallyowned, string name, out bool creatednew, mutexsecurity mutexsecurity)
	{
		byte* ptr = stackalloc byte[(int)checked(unchecked((ulong)(uint)securitydescriptorbinaryform.length))]
	}
 
 private unsafe int readfilenative(safefilehandle handle, byte[] bytes, out int hr)
 {
  fixed (byte* ptr = bytes)
		{
			num = ((!_isasync) ? win32native.readfile(handle, ptr + offset, count, out numbytesread, intptr.zero) : win32native.readfile(handle, ptr + offset, count, intptr.zero, overlapped));
		}
 }

对，你觉得的美好世界，其实都是别人帮你负重前行，退一步说，指针的理解和不理解，对你研究底层源码影响是不能忽视的，指针相对比较抽象，考的是你的空间想象能力，可能现存的不少程序员还是不太明白，因为你缺乏所见即所得的工具，希望这一篇能帮你少走些弯路。

二：windbg助你理解

指针虽然比较抽象，但如果用windbg实时查看内存布局，就很容易帮你理解指针的套路，下面先理解下指针的一些简单概念。

1. &、* 运算符

&取址运算符，用于获取某一个变量的内存地址, *运算符，用于获取指针变量中存储地址指向的值，很抽象吧，看windbg。

 unsafe
 {
  int num1 = 10;
  int* ptr = &num1;
  int** ptr2 = &ptr;
  var num2 = **ptr2;
 }


0:000> !clrstack -l
consoleapp4.program.main(system.string[]) [c:\dream\csharp\consoleapp1\consoleapp4\program.cs @ 26]
 locals:
  0x000000305f5fef24 = 0x000000000000000a
  0x000000305f5fef18 = 0x000000305f5fef24
  0x000000305f5fef10 = 0x000000305f5fef18
  0x000000305f5fef0c = 0x000000000000000a

2. **运算符

** 也叫二级指针，指向一级指针变量地址的指针，有点意思，如下程序：ptr2指向的就是 ptr的栈上地址，一图胜千言。

 unsafe
 {
  int num1 = 10;
  int* ptr = &num1;
  int** ptr2 = &ptr;
  var num2 = **ptr2;
 }


0:000> !clrstack -l
consoleapp4.program.main(system.string[]) [c:\dream\csharp\consoleapp1\consoleapp4\program.cs @ 26]
 locals:
  0x000000305f5fef24 = 0x000000000000000a
  0x000000305f5fef18 = 0x000000305f5fef24
  0x000000305f5fef10 = 0x000000305f5fef18
  0x000000305f5fef0c = 0x000000000000000a

3. ++、–运算符

这种算术操作常常用在数组或者字符串等值类型集合，比如下面代码：

 fixed (int* ptr = new int[3] { 1, 2, 3 }) { }
 fixed (char* ptr2 = "abcd") { }

首先ptr默认指向数组在堆上分配的首地址，也就是1的内存地址，当ptr++后会进入到下一个整形元素2的内存地址，再++后又进入下一个int的内存地址，也就是3，很简单吧，我举一个例子：

  unsafe
  {
   fixed (int* ptr = new int[3] { 1, 2, 3 })
   {
    int* cptr = ptr;
			 console.writeline(((long)cptr++).tostring("x16"));
				console.writeline(((long)cptr++).tostring("x16"));
				console.writeline(((long)cptr++).tostring("x16"));
   }
  }

0:000> !clrstack -l
 locals:
  0x00000070c15fea50 = 0x000001bcaac82da0
  0x00000070c15fea48 = 0x0000000000000000
  0x00000070c15fea40 = 0x000001bcaac82dac
  0x00000070c15fea38 = 0x000001bcaac82da8

一图胜千言哈，console中的三个内存地址分别存的值是1,2,3哈，不过这里要注意的是，c#是托管语言，引用类型是分配在托管堆中，所以堆上地址会存在变动的可能性，这是因为gc会定期回收内存，所以vs编译器需要你用fixed把堆上内存地址固定住来逃过gc的打压，在本例中就是 0x000001bcaac82da0 - (0x000001bcaac82da8 +4)

三：用两个案例帮你理解

古语说的好，一言不中，千言无用，你得拿一些例子活讲活用，好吧，准备两个例子。

1. 使用指针对string中的字符进行替换

我们都知道string中有一个replace方法，用于将指定的字符替换成你想要的字符，可是c#中的string是不可变的，你就是对它吐口痰它都会生成一个新字符串，🐮👃的是用指针就不一样了，你可以先找到替换字符的内存地址，然后将新字符直接赋到这个内存地址上，对不对，我来写一段代码，把abcgef 替换成 abcdef, 也就是将 g 替换为 d。

   unsafe
   {
    //把 'g' 替换成 'd'
    string s = "abcgef";
    char oldchar = 'g';
    char newchar = 'd';
    console.writeline($"替换前:{s}");
    var len = s.length;
    fixed (char* ptr = s)
    {
     //当前指针地址
     char* cptr = ptr;
     for (int i = 0; i < len; i++)
     {
      if (*cptr == oldchar)
      {
       *cptr = newchar;
       break;
      }
      cptr++;
     }
    }

    console.writeline($"替换后:{s}");
   }

看输出结果没毛病，接下来用windbg去线程栈上找找当前有几个string对象的引用地址，可以在break处抓一个dump文件。

从图中 locals 中的10个变量地址来看，后面9个有带地址的都是靠近string首地址： 0x000001ef1ded2d48，说明并没有新的string产生。

2. 指针和索引遍历速度大比拼

平时我们都是通过索引对数组进行遍历，如果和指针进行碰撞测试，您觉得谁快呢？如果我说索引方式就是指针的封装，你应该知道答案了吧，下面来一起观看到底快多少？？？

为了让测试结果更加具有观赏性，我准备遍历1亿个数字，环境为：netframework4.8, release模式

  static void main(string[] args)
  {
   var nums = enumerable.range(0, 100000000).toarray();

   for (int i = 0; i < 10; i++)
   {
    var watch = stopwatch.startnew();
    run1(nums);
    watch.stop();
    console.writeline(watch.elapsedmilliseconds);
   }

   console.writeline(" -------------- ");

   for (int i = 0; i < 10; i++)
   {
    var watch = stopwatch.startnew();
    run2(nums);
    watch.stop();
    console.writeline(watch.elapsedmilliseconds);
   }

   console.writeline("执行结束啦！");
   console.readline();
  }

  //遍历数组
  public static void run1(int[] nums)
  {
   unsafe
   {
    //数组最后一个元素的地址
    fixed (int* ptr1 = &nums[nums.length - 1])
    {
     //数组第一个元素的地址
     fixed (int* ptr2 = nums)
     {
      int* sptr = ptr2;
      int* eptr = ptr1;
      while (sptr <= eptr)
      {
       int num = *sptr;
       sptr++;
      }
     }
    }
   }
  }

  public static void run2(int[] nums)
  {
   for (int i = 0; i < nums.length; i++)
   {
    int num = nums[i];
   }
  }