追了多年的开发框架,你还认识指针吗?

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 num = 10;
                int* ptr = #
                var num2 = *ptr;
                Console.WriteLine(num2);
            }

0:000> !clrstack -l
OS Thread Id: 0x41ec (0)
        Child SP               IP Call Site
0000005b1efff040 00007ffc766208e2 *** WARNING: Unable to verify checksum for ConsoleApp4.exe
ConsoleApp4.Program.Main(System.String[]) [C:\dream\Csharp\ConsoleApp1\ConsoleApp4\Program.cs @ 25]
    LOCALS:
        0x0000005b1efff084 = 0x000000000000000a
        0x0000005b1efff078 = 0x0000005b1efff084
        0x0000005b1efff074 = 0x000000000000000a

仔细观察 LOCALS 中三组键值对。

<1> int* ptr = &num; => 0x0000005b1efff078 = 0x0000005b1efff084

int* ptr叫做指针变量,既然是变量必须得有自己的栈上地址 0x0000005b1efff078 ,而这个地址上的值为 0x0000005b1efff084,这不就是num的栈地址嘛,嘿嘿。

<2> var num2 = *ptr; => 0x0000005b1efff074 = 0x000000000000000a

*ptr 就是用ptr的value [0x0000005b1efff084] 获取这个地址指向的值,所以就是10啦。

如果不明白,我画一张图,这可是重中之重哦~

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}");
            }

----- output ------

替换前:abcgef
替换后:abcdef
执行结束啦!

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~


如您有更多问题与我互动,扫描下方进来吧~


posted @ 2020-05-16 09:54  一线码农  阅读(890)  评论(7编辑  收藏