如何在C#中使用指针

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];
  }
 }

有图有真相哈，直接走指针比走数组下标要快近一倍。

四：总结

希望本篇能给在框架上奔跑的您一个友情提醒，不要把指针忘啦，别人提倡不使用的指针在底层框架可都是大量使用的哦~

来源：https://www.imooc.com/article/304713