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NET高性能编程 - C#如何安全

2022-11-14 14:40:32  阅读:274  来源: 互联网

标签:NET 编程 安全 c++ 程序员 指针 代码 数据 文章 


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.AllocHGlobalMarshal.AllocCoTaskMem来分配非托管内存,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

标签:NET,编程,安全,c++,程序员,指针,代码,数据,文章,
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