Mikel
前言
变量可以理解成是一块内存位置的别名，访问变量也就是访问对应内存中的数据。
指针是一种特殊的变量，它存储了一个内存地址，这个内存地址代表了另一块内存的位置。
指针指向的可以是一个变量、一个数组元素、一个对象实例、一块非托管内存、一个函数等。
截止到发文为止，.NET 最新正式版本为 .NET 9，C# 最新正式版本为 C# 13。文中提及的 IL 代码可能会随编译器版本的不同而有所差异，仅供参考。
本文将介绍到发文为止 C# 中的各类指针，并对比差异：
- 对象引用（Object Reference）
- 指针（Pointer，一些资料中称为非托管指针）
- IntPtr（表示指针或句柄的值，用于管理非托管资源或非托管代码交互）
- 函数指针（Function Pointer）
- 托管指针（Managed Pointer）
本文旨在为读者建立对各类指针的概念认知，不会每个细节都展开，读者可以参考 C# 的官方文档，了解更多用法。
涉及的知识点较多，如果存在纰漏和错误，还请谅解。
对象引用（Object Reference）
对象引用，也就是我们常说的引用类型变量，是一个类型安全的指针，指向引用类型实例的 MethodTable 指针，通过偏移和计算可以访问对象头和字段。
对象实例被分配在托管堆上，引用类型变量存储了一个指向该对象实例的引用。对象引用可以被赋值为 null，表示没有指向任何对象实例。通过 null 的对象引用访问不存在的对象会导致 NullReferenceException。
对象引用可以存在栈或者堆上，作为局部变量时，存储在栈上；作为值类型字段时，跟随值类型的位置存储；作为引用类型字段时，存储在堆上。
指针（Pointer）
指针的声明和使用#
指针允许用户直接操作内存地址，提供了更高的性能和灵活性，但也带来了更高的风险。因此，C# 只允许在用 unsafe 关键字标记的代码块中使用指针，并且需要在项目中启用 <AllowUnsafeBlocks>true</AllowUnsafeBlocks>。
unsafe 关键字可以用于方法、代码块、字段、类、结构体等。
一些资料中将这边的指针（Pointer）称为非托管指针（Unmanaged Pointer），因为它们不受 GC 的管理。
我们需要使用 <type>* ptr 的语法来声明指针类型的变量。
通过 & 运算符获取变量的地址，通过 * 运算符访问指针指向的数据。
& 通常被称为寻址运算符，* 通常被称为解引用运算符或间接寻址运算符。
unsafe class Program
{
static void Main()
{
int* p = null; // 声明一个指向 int 的指针
int a = 10;
p = &a; // 获取 a 的地址并赋值给指针 p
Console.WriteLine(*p); // 输出 10
}
}
指针可以指向的位置#
指针可以指向以下几种位置：
- 值类型变量：也就是指向值类型的数据本体。
- 引用类型变量：因为引用类型变量存储的是对象实例的引用，所以这边相当于一个二级指针。
- 值类型或者引用类型的实例字段：readonly 也可以修改。
- 值类型或者引用类型的静态字段：readonly 也可以修改。
- 数组元素：数组在内存中是连续存储的，所以可以通过指针和指针算法来访问数组元素。
- 非托管内存：使用
Marshal分配非托管内存。 - 另一个指针（Pointer）：可以实现多级指针。
- null：表示没有指向任何有效的内存地址，通过 null 指针访问不存在的数据会导致
NullReferenceException。
注意：在声明指向实例字段，静态字段以及数组元素的指针时，需要使用 fixed 关键字。
可以声明指针的位置#
指针可以在以下位置声明：
- 局部变量：可以在方法中声明指针变量。
- 方法参数：可以将指针作为方法参数传递。
- 方法返回值：可以将指针作为方法的返回值。
- 实例字段：可以在类或结构体中声明指针类型的字段。
- 静态字段：可以在类或者结构体中声明指针类型的静态字段。
- 只读属性：包含只读索引（indexer），但不支持自动属性（Automatically implemented properties）。
指向值类型变量的指针#
指针可以指向值类型变量，直接访问值类型的数据本体，并且可以修改值类型变量的值。
unsafe class Program
{
static void Main()
{
int a = 10;
int* p = &a; // 获取 a 的地址并赋值给指针 p
Console.WriteLine(*p); // 输出 10
*p = 20; // 修改指针 p 指向的值
Console.WriteLine(a); // 输出 20
}
}
指向对象引用的指针#
指针可以指向对象引用，相当于一个二级指针。
在下面的示例代码中，关键的部分标注了编译后的 IL 代码。
class Program
{
static void Main()
{
var foo = new Foo
{
Bar = 1
};
unsafe
{
// ldloca.s foo // 加载 foo 的地址
// conv.u // 将 foo 的地址转换为 unsigned native int
// stloc.1 // 将转换后的 int 存储到 fooPtr
Foo* fooPtr = &foo;
// ldloc.1 // 加载 fooPtr
// ldind.ref // 将 fooPtr 指向的对象引用加载到栈上
// callvirt instance int32 Foo::get_Bar()
// call void [System.Console]System.Console::WriteLine(int32)
Console.WriteLine(fooPtr->Bar); // 输出 1
// ldloc.1 // 加载 fooPtr
// newobj instance void Foo::.ctor()
// dup
// ldc.i4.2
// callvirt instance void Foo::set_Bar(int32)
// nop
// stind.ref // 新的 Foo 对象的地址保存通过 fooPtr 保存到 foo
*fooPtr = new Foo
{
Bar = 2
};
// ldloc.0 // 和指针相比，少了一个 ldind.ref，对象引用可以直接使用
// callvirt instance int32 Foo::get_Bar()
// call void [System.Console]System.Console::WriteLine(int32)
Console.WriteLine(foo.Bar); // 输出 2
// ldloc.1 // 加载 fooPtr
// ldind.ref // 将 fooPtr 指向的对象引用加载到栈上
// ldc.i4.3 // 将 3 压入栈上
// callvirt instance void Foo::set_Bar(int32)
fooPtr->Bar = 3;
Console.WriteLine(foo.Bar); // 输出 3
}
}
}
class Foo
{
public int Bar { get; set; }
}
关键的三个IL 指令：
conv.u：将对象引用（foo）的地址转换为 unsigned native int，并存储到指针（fooPtr）中。ldind.ref：将指针（fooPtr）指向的对象引用（foo）加载到栈上。stind.ref：将栈上的对象引用（新的foo实例的引用）存储到指针指向的地址（foo）上。
指向 GC Heap 的指针#
如果指针指向 GC Heap 上的数据，例如指向数组元素或者引用类型实例字段，指针需要通过 fixed 关键字固定对象的地址，防止 GC 移动对象的位置。
class Program
{
static void Main()
{
Foo foo = new Foo
{
Bar = 1
};
unsafe
{
fixed (int* p = &foo.Bar) // 固定 foo.Bar 的地址
{
Console.WriteLine(*p); // 输出 1
*p = 2; // 修改指针 p 指向的值
}
}
Console.WriteLine(foo.Bar); // 输出 2
}
}
class Foo
{
public int Bar;
}
注意：不应在 fixed 语句块结束后，继续使用指针变量，因为 GC 可能会移动对象的位置，导致指针指向无效的内存地址。
class Program
{
static void Main()
{
Foo foo = new Foo
{
Bar = 1
};
var weakReference = new WeakReference(foo);
unsafe
{
int* p2;
fixed (int* p1 = &foo.Bar) // 固定 foo.Bar 的地址
{
Console.WriteLine(*p1); // 输出 1
p2 = p1; // 将指针 p1 存放的地址复制给 指针p2
*p1 = 2; // 修改指针 p1 指向的值
}
Console.WriteLine(*p2); // 输出 2，此时 p1 已经被释放了，但 p2 仍然可以访问到 foo.Bar 的值
// 往托管堆上分配一些数据，并触发 GC
for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
{
var arr = new int[1000];
}
GC.Collect();
Console.WriteLine(weakReference.IsAlive); // 输出 true，证明 foo 仍然存活
Console.WriteLine(*p2); // 输出 0, 因为 foo 的位置已经被 GC 移动了
}
}
}
class Foo
{
public int Bar;
}
指向数组元素的指针#
当指针指向数组元素时，可以通过指针算法遍历数组元素，指针的单次偏移量为元素类型的大小。
指针算法支持的操作有：
对指针进行加法和减法运算时，p + n 是将指针 p 向后移动 n 个元素的大小，p – n 是将指针 p 向前移动 n 个元素的大小。
本文会讨论三种数组类型：
- 在栈上分配的数组
- 在托管堆上分配的数组
- 在非托管堆上分配的数组
本小节先讨论前两种，指向非托管堆上分配的数组的指针会在后面讨论。
栈上和非托管堆上分配的数组时，指针可以直接访问数组元素。在托管堆上分配的数组时，指针需要通过 fixed 关键字固定数组元素的地址，防止 GC 移动数组元素的位置。
在栈上分配的数组的示例代码：
unsafe class Program
{
static void Main()
{
int* arr = stackalloc int[5] { 0, 1, 2, 3, 4 }; // 在栈上分配一个 int 数组并初始化
// 下面是等效代码
// int* arr = stackalloc int[5]; // 在栈上分配一个 int 数组
// for (int i = 0; i < 5; i++)
// {
// *(arr + i) = i; // 通过指针访问数组元素，赋值
// }
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
Console.WriteLine(*(arr + i)); // 输出 0 1 2 3 4
}
// 也可以直接通过下标访问
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
Console.WriteLine(arr[i]); // 输出 0 1 2 3 4
}
}
}
在托管堆上分配的数组的示例代码：
unsafe class Program
{
static void Main()
{
int[] arr = new int[5] { 0, 1, 2, 3, 4 }; // 在堆上分配一个 int 数组并初始化
fixed (int* p = arr) // 固定数组元素的地址
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
Console.WriteLine(*(p + i)); // 输出 0 1 2 3 4
}
}
fixed (int* p = &arr[0]) // 固定数组元素的地址
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
*(p + i) = i * 10; // 修改数组元素的值
}
}
foreach (var item in arr)
{
Console.WriteLine(item); // 输出 0 10 20 30 40
}
}
}
在 fixed 语句块结束后，数组元素的地址会被释放，指针变量将不再有效。
在 fixed 语句块中，指针变量可以直接访问数组元素的地址，并且可以修改数组元素的值。
int* p = arr 和 int* p = &arr[0] 是等效的，都是获取数组第一个元素的地址。
注意： int[]* p = &arr 是创建一个指向数组变量的指针，并不是指向数组元素的指针。
指向静态字段的指针#
静态字段位于托管堆上，但非 GC 管理的内存区域，理论上内存地址应该是固定的，但不排除某些平台实现或某些情况下会被移动。
在.NET的规范以及C#语言规范中，编译器并不能完全确定某个字段是否可移动，必须通过 fixed 修饰保证安全。
统一使用 fixed 也可以避免特例导致的复杂性或bug。如果静态保存的是值类型还好。但如果静态字段保存的是一个对象引用，那就和方法的局部变量一样，指针必定需要通过 fixed 关键字固定对象的地址，防止 GC 移动对象的位置。静态字段如果存的是数组的引用，也是必须使用 fixed 关键字固定对象的地址才能访问数组元素。
unsafe class Program
{
static void Main()
{
// 值类型的静态字段
Foo.ValueTypeField = 1;
// 获取指针
fixed (int* valueTypeFieldPtr = &Foo.ValueTypeField)
{
*valueTypeFieldPtr = 2; // 修改值类型字段的值
}
Console.WriteLine(Foo.ValueTypeField); // 输出 2
// 引用类型的静态字段
Foo.ReferenceTypeField = new Bar { Baz = 1 };
// 获取指针
fixed (Bar* referenceTypeFieldPtr = &Foo.ReferenceTypeField)
{
*referenceTypeFieldPtr = new Bar { Baz = 2 }; // 修改引用类型字段的值
}
Console.WriteLine(Foo.ReferenceTypeField.Baz); // 输出 2
// 数组的静态字段
Foo.ArrayField = [1, 2, 3];
// 获取指针
fixed (int* arrayFieldPtr = Foo.ArrayField)
{
arrayFieldPtr[0] = 4; // 修改数组的值
}
Console.WriteLine(Foo.ArrayField[0]); // 输出 4
}
}
class Foo
{
public static int ValueTypeField;
public static Bar ReferenceTypeField;
public static int[] ArrayField;
}
class Bar
{
public int Baz;
}
指向非托管内存的指针#
使用 Marshal.AllocHGlobal 分配非托管内存，返回一个指向非托管内存的指针，最后使用 Marshal.FreeHGlobal 释放非托管内存。
Marshal 提供的方法的参数和返回值都是 IntPtr 类型，但可以和指针互换转换。
public static class Marshal
{
public static IntPtr AllocHGlobal(int cb);
public static void FreeHGlobal(IntPtr hglobal);
}
using System.Runtime.InteropServices;
unsafe class Program
{
static void Main()
{
// 在非托管内存中分配一块内存用于存储整数数组
int size = 10;
var ptr = (int*)Marshal.AllocHGlobal(size * sizeof(int));
// 将数据写入非托管内存
for (int i = 0; i < size; i++)
{
ptr[i] = i;
}
// 读取非托管内存的数据
for (int i = 0; i < size; i++)
{
Console.WriteLine(ptr[i]);
}
// 也可以使用指针算法访问非托管内存存储的数组
// int* p = ptr;
// for (int i = 0; i < size; i++)
// {
// Console.WriteLine(*p);
// p++;
// }
// 释放非托管内存
Marshal.FreeHGlobal((IntPtr)ptr);
}
}
作为方法参数的指针#
指针可以作为方法参数传递，允许在方法中修改指针指向的数据，但指针本身的传递是值传递，无法在传入的方法中修改指针的值，也就是无法修改指针指向的地址。
unsafe class Program
{
static void Main()
{
int a = 10;
int b = 20;
int* p1 = &a; // 获取 a 的地址并赋值给指针 p1
int* p2 = &b; // 获取 b 的地址并赋值给指针 p2
Console.WriteLine(*p1); // 输出 10
Console.WriteLine(*p2); // 输出 20
ModifyPointer(p1, p2); // 传递指针 p1 和 p2
Console.WriteLine(*p1); // 输出 11
}
static void ModifyPointer(int* p1, int* p2)
{
*p1 = 11; // 修改指针 p1 指向的值
p1 = p2; // 无效代码，不会影响外部的 p1
}
}
作为方法返回值的指针#
当指针作为方法的返回值时，需要注意不能返回局部变量的指针，因为局部变量在方法结束后会被销毁，指针将指向无效的内存地址。
unsafe class Program
{
static void Main()
{
Foo* p = GetPointer(); // 获取指针
Console.WriteLine(p->Bar); // 输出 10
Console.WriteLine(p->Bar); // 输出 随机值
}
static Foo* GetPointer()
{
Foo a = new Foo
{
Bar = 10
};
return &a;
}
}
struct Foo
{
public int Bar;
}
上述代码中，GetPointer 方法返回了一个指向局部变量 a 的指针，但 a 在方法结束后会被销毁，所以返回的指针将指向无效的内存地址。
之所以第一次输出 10，是因为 a 的内存数据没有被覆盖，第二次输出随机值是因为 a 的内存数据已经被覆盖。
在打印 p->Bar 之前，将一些别的数据载入到栈上，就会覆盖 a 的内存数据。下面的代码只打印了一次 p->Bar，但在打印之前，已经将 20 到过栈上（被 Console.WriteLine 消费了），所以 a 的内存数据被覆盖了。
unsafe class Program
{
static void Main()
{
Foo* p = GetPointer(); // 获取指针
Console.WriteLine(20); // 输出 20
Console.WriteLine(p->Bar); // 输出 随机值
}
static Foo* GetPointer()
{
Foo a = new Foo
{
Bar = 10
};
return &a;
}
}
struct Foo
{
public int Bar;
}
改为返回字段的指针也是一样的结果
unsafe class Program
{
static void Main()
{
int* p = GetPointer(); // 获取指针
Console.WriteLine(*p); // 输出 10
Console.WriteLine(*p); // 输出 随机值
}
static int* GetPointer()
{
Foo a = new Foo
{
Bar = 10
};
return &a.Bar;
}
}
struct Foo
{
public int Bar;
}
多级指针#
下面是一个三级指针的例子
{
int x = 1;
int* p1 = &x; // 一级指针
int** p2 = &p1; // 二级指针
int*** p3 = &p2; // 三级指针
***p3 = 2; // 三次寻址
Console.WriteLine(x); // 输出 2
}
进一步理解 fixed 关键字#
fixed 关键字用于固定对象的地址，防止 GC 移动对象的位置。
查看下面代码编译成的 IL 代码。
unsafe class Program
{
static void Main()
{
// 引用类型的静态字段
Foo.ReferenceTypeField = new Bar { Baz = 1 };
// 获取指针
fixed (Bar* referenceTypeFieldPtr = &Foo.ReferenceTypeField)
{
*referenceTypeFieldPtr = new Bar { Baz = 2 }; // 修改引用类型字段的值
}
Console.WriteLine(Foo.ReferenceTypeField.Baz); // 输出 2
// 数组的静态字段
Foo.ArrayField = [1, 2, 3];
// 获取指针
fixed (int* arrayFieldPtr = Foo.ArrayField)
{
arrayFieldPtr[0] = 4; // 修改数组的值
}
Console.WriteLine(Foo.ArrayField[0]); // 输出 4
}
}
class Foo
{
public static Bar ReferenceTypeField;
public static int[] ArrayField;
}
class Bar
{
public int Baz;
}
.class private auto ansi beforefieldinit
Program
extends [System.Runtime]System.Object
{
.method private hidebysig static void
Main() cil managed
{
.entrypoint
.maxstack 4
.locals init (
[0] class Bar* referenceTypeFieldPtr,
[1] class Bar& pinned V_1,
[2] int32* arrayFieldPtr,
[3] int32[] pinned V_3
)
// ... 省略方法体
}
}
在 IL 代码中，Bar& pinned V_1 和 int32[] pinned V_3 表示固定的指向对象引用的托管指针和固定的数组的对象引用。
pinned 表示这个对象引用是固定的，GC 会识别到这个标记，并不会移动其指向的对象的位置。
在 fixed 语句块内，对 Bar* referenceTypeFieldPtr 的读写将转换为 Bar& pinned V_1 的读写。对 int32* arrayFieldPtr 的读写将转换为 int32[] pinned V_3 的读写。
IntPtr
基本概念#
IntPtr 是一个结构体，表示指针或句柄的值，用于管理非托管资源或非托管代码交互。
在部分场景，可以和指针互换使用，但 IntPtr 不能直接进行指针运算。
IntPtr 是一个平台相关的类型，在 32 位平台上是 4 字节，在 64 位平台上是 8 字节。
在使用 IntPtr 时，不需要使用 unsafe 关键字，也不需要启用 <AllowUnsafeBlocks>true</AllowUnsafeBlocks>（如果使用 P/Invoke 调用非托管函数时，仍然需要启用）。
指向非托管内存的 IntPtr#
在使用 IntPtr 管理非托管内存时，不能直接读取和写入内存，需要使用 Marshal 提供的ReadXXX 和 WriteXXX 方法。
using System.Runtime.InteropServices;
class Program
{
static void Main()
{
// 在非托管内存中分配一块内存用于存储整数数组
int size = 10;
IntPtr ptr = Marshal.AllocHGlobal(size * sizeof(int));
// 将数据写入非托管内存
for (int i = 0; i < size; i++)
{
Marshal.WriteInt32(ptr + i * sizeof(int), i);
}
// 读取非托管内存的数据
for (int i = 0; i < size; i++)
{
Console.WriteLine(Marshal.ReadInt32(ptr + i * sizeof(int)));
}
// 释放非托管内存
Marshal.FreeHGlobal(ptr);
}
}
保存句柄的 IntPtr#
IntPtr 也可以用于存储句柄，例如文件句柄、窗口句柄等。
句柄可以理解为一个指向资源的引用，通常是一个整数值，用于唯一标识和访问由操作系统管理的资源。本质上它是一个资源标识符，而不是资源在内存中的实际地址。
下面是一个 windows 平台的例子
using System.Runtime.InteropServices;
public static partial class Program
{
// Define a delegate that corresponds to the unmanaged function.
private delegate bool EnumWC(IntPtr hwnd, IntPtr lParam);
// Import user32.dll (containing the function we need) and define
// the method corresponding to the native function.
[LibraryImport("user32.dll")]
private static partial int EnumWindows(EnumWC lpEnumFunc, IntPtr lParam);
// Define the implementation of the delegate; here, we simply output the window handle.
private static bool OutputWindow(IntPtr hwnd, IntPtr lParam)
{
Console.WriteLine(hwnd.ToInt64());
return true;
}
public static void Main(string[] args)
{
// Invoke the method; note the delegate as a first parameter.
EnumWindows(OutputWindow, IntPtr.Zero);
}
}
上面的代码使用了 LibraryImport 特性来导入 user32.dll 中的 EnumWindows 函数，并定义了一个委托 EnumWC 来对应这个函数的回调函数。EnumWindows 函数会枚举所有顶级窗口，并调用 OutputWindow 函数来输出每个窗口的句柄。
OutputWindow 函数的参数 hwnd 是一个 IntPtr 类型的句柄，表示窗口的句柄。可以使用 hwnd.ToInt64() 将其转换为长整型值进行输出。
函数指针（Function Pointer）
基本概念#
函数指针是一个指向函数的指针，分为托管函数指针和非托管函数指针。
这是一个 C# 9 新增的特性，建议读者阅读官方文档地址加深理解：
https://learn.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/language-reference/proposals/csharp-9.0/function-pointers
在 IL 层面，调用方法的指令分为三种：
call：直接调用静态方法或非虚方法。- 常用于静态方法、私有实例方法、构造函数、基类方法等。
- 不会进行虚方法表查找，故不能用于虚方法调用。
callvirt：用于调用虚方法（virtual）、接口方法，或者有时也用来调用非虚实例方法。- 会进行虚方法表（vtable）查找，确保调用最终派生类的实现（多态）。
- 调用前自动检测 this 是否为 null，如果是则抛出 NullReferenceException。所以 C# 编译器的常见做法是对非虚方法也使用
callvirt，以保证 null 检查。
calli：间接调用，通过函数指针进行调用。- 性能开销更低，但安全性、类型检查弱。
- 通常只有在编写 IL 代码，或者使用 Emit 动态生成代码时才会使用。
- 新增的函数指针语法允许在 C# 中使用
calli指令，提供了更好的类型安全性。
早期 C# 为我们提供了委托（Delegate）来封装方法的引用，委托可以看作是一个类型安全的函数指针。所有的委托类型都继承自 System.Delegate 类。我们在调用委托时，实际上是调用了委托的 Invoke 这个虚方法，IL 指令是 callvirt。
在后期新增的函数指针语法中，编译器使用 calli 指令来调用函数，而不是实例化委托对象并调用 Invoke 方法。
函数指针的声明和使用#
和指针一样，函数指针也需要在 unsafe 代码块中使用，并且需要启用 <AllowUnsafeBlocks>true</AllowUnsafeBlocks>。
声明函数指针的语法如下：
delegate*<[parameter type list], return type> variableName
delegate* 是一个关键字，表示函数指针类型。
<parameter type list> 是参数类型列表，可以是空的，也可以是一个或多个参数类型，用逗号分隔。
return type 是返回值类型，可以是 void 或者其他类型。
下面是几个例子：
delegate*<void> ptr：表示一个不带参数和返回值的函数指针。delegate*<int> ptr：表示一个不带参数，返回值为int的函数指针。delegate*<int, int, int> ptr：表示一个带两个int参数，返回值为int的函数指针。delegate*<int, int, void> ptr：表示一个带两个int参数，无返回值的函数指针。
函数指针的声明和使用示例：
unsafe class Program
{
static void Main()
{
// 声明一个函数指针，指向一个返回 int 的函数，参数为两个 int
delegate*<int, int, int> addPtr = &Add;
// 调用函数指针
int result = addPtr(1, 2);
Console.WriteLine(result); // 输出 3
}
static int Add(int a, int b)
{
return a + b;
}
}
使用 & 运算符获取函数的地址，并赋值给函数指针变量。
函数指针只能指向静态方法，不能指向实例方法或者委托。
可以指向静态的本地函数（local function），也就是说这个本地函数不是闭包。
下面对比函数指针和委托，用 BenchmarkDotNet 做个简单的性能测试
public class Program
{
public static void Main(string[] args)
{
BenchmarkRunner.Run<Benchmark>();
}
}
[MemoryDiagnoser]
public class Benchmark
{
private delegate int AddDelegate(int a, int b);
private static AddDelegate addDelegate = Add;
private unsafe delegate*<int, int, int> addPtr = &Add;
[Benchmark]
public void Delegate()
{
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
var result = addDelegate(1, 2);
}
}
[Benchmark]
public unsafe void FunctionPointer()
{
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
var result = addPtr(1, 2);
}
}
private static int Add(int a, int b)
{
return a + b;
}
}
运行结果如下：
| Method | Mean | Error | StdDev | Allocated |
|---------------- |---------:|----------:|----------:|----------:|
| Delegate | 1.530 ms | 0.0054 ms | 0.0048 ms | 1 B |
| FunctionPointer | 1.409 ms | 0.0042 ms | 0.0039 ms | 1 B |
虽然此处例子差距不是很明显，但还是能看到函数指针的性能更好一些。
托管函数指针和非托管函数指针#
在声明函数指针时，可以在 delegate* 后面加上 managed 或 unmanaged 关键字，表示托管函数指针或非托管函数指针。
不加关键字时，默认是托管函数指针。
下面是一个可以在 macOS 上运行的例子：
unsafe class Program
{
// 声明C函数指针类型（C的 getpid：int getpid(void);）
private delegate* unmanaged[Cdecl]<int> GetPidDelegate;
static void Main()
{
var prog = new Program();
prog.Run();
}
public void Run()
{
// 加载libc（macOS下通常路径就是 /usr/lib/libc.dylib）
IntPtr lib = NativeLibrary.Load("/usr/lib/libc.dylib");
// 获取getpid符号
IntPtr pidFuncPtr = NativeLibrary.GetExport(lib, "getpid");
// 转为函数指针（需要unsafe上下文）
GetPidDelegate = (delegate* unmanaged[Cdecl]<int>)pidFuncPtr;
// 用C#的函数指针调用 (unsafe 上下文中)
int pid = GetPidDelegate();
Console.WriteLine($"Current PID from libc.getpid(): {pid}");
// 释放库
NativeLibrary.Free(lib);
}
}
上面的代码中，delegate* unmanaged[Cdecl]<int> 声明了一个非托管函数指针类型，指向一个返回 int 的函数。
Cdecl 是调用约定，表示使用 C 语言的调用约定。
通过获取 getpid 函数的地址，并将其转换为函数指针类型，最后调用该函数获取当前进程的 PID。
NativeLibrary 是一个用于加载和调用非托管库的类，提供了 Load 和 GetExport 方法来加载库和获取函数地址。
使用完后，使用 NativeLibrary.Free 方法释放库。
托管指针（Managed Pointer）
托管指针的声明和使用#
托管指针并非一个新的特性，在早期的 C# 版本中，我们在方法参数上使用的 ref 和 out 就是声明了托管指针。
在 IL 中，用 <type>* 来表示前面说的指针（pointer，有些资料中称为 非托管指针）。
而 ref 和 out 在 IL 中对应的是 <type>&，也就是托管指针（managed pointer）。
out 相当于 ref 的一种特殊情况，表示参数是一个输出参数，方法内部必须对其赋值。
另外还有一个 in 可以把方法参数声明为只读的托管指针，方法内部不能对其赋值。
使用托管指针时，我们不需要使用 unsafe 关键字，也不需要启用 <AllowUnsafeBlocks>true</AllowUnsafeBlocks>。
注意：托管指针相关的语法会在几个位置用到 ref 关键字，但作用和意义是不同的。
- 我们使用
ref <type> ptr来声明一个托管指针。 - 同时也用
ref关键字来获取变量的地址，ref <type> ptr = ref a。 - 访问托管指针指向的数据时，语法上只需直接访问不带
ref的指针变量名ptr即可。 - 复制托管指针的值时，需要在指针变量前面加上
ref关键字。ref <type> ptr2 = ref ptr。 - 修改托管指针指向的数据时，语法上只需直接访问不带
ref的指针变量名ptr即可，ptr = ref b。
class Program
{
static void Main()
{
int a = 10;
ref int p1 = ref a; // 声明一个托管指针，指向变量 a 的地址
Console.WriteLine(p1); // 输出 10，访问托管指针 p1 指向的值，即 a 的值
p1 = 20; // 修改托管指针 p1 指向的值，即修改 a 的值
Console.WriteLine(a); // 输出 20
ref int p2 = ref p1; // 将托管指针 p1 的值复制给 p2，即 p2 也指向 a 的地址
p2 = 30; // 修改托管指针 p2 指向的值，即修改 a 的值
Console.WriteLine(a); // 输出 30
int b = 40;
p1 = ref b; // 将 p1 重新指向 b
Console.WriteLine(p1); // 输出 40，访问托管指针 p1 指向的值，即 b 的值
p1 = 50; // 修改托管指针 p1 指向的值，即修改 b 的值
Console.WriteLine(b); // 输出 50
Console.WriteLine(p2); // 输出 30，p2 仍然指向 a 的地址
}
}
托管指针可以指向的位置#
- 值类型变量：也就是指向值类型的数据本体。
- 引用类型变量：和上文指向对象引用的指针（Pointer）一样，相当于一个二级指针，但不支持指向另一个托管指针。
- 值类型或者引用类型的实例字段。
- 值类型或者引用类型的静态字段
- 数组元素：但不支持指针算法。
- null：表示没有指向任何有效的内存地址，尝试访问 null 指针会导致
NullReferenceException。目前只有作为ref struct的ref字段时，可能出现这个情况，需使用Unsafe.IsNullRef<T>(T)方法确定 ref 字段是否为 null。
可以声明托管指针的位置#
- 局部变量：可以在方法中声明托管指针变量。
- 方法参数：可以将托管指针作为方法参数传递。
- 方法返回值：可以将托管指针作为方法的返回值。
- ref struct 的实例字段：
ref struct的ref不代表这种struct是按引用传递的，是指其具有类似托管指针的限制。 - 只读属性：包含只读索引（indexer），但不支持自动属性（Automatically implemented properties）。
托管指针的限制#
出于安全的设计目的，相较于指针（Pointer），托管指针只允许存在于栈上，不允许在存在于堆上。主要的限制如下：
- 不能作为类或者非
ref struct的结构体的字段。 - 不能作为静态字段，因为静态字段在保存在托管堆上（非 GC Heap）。
- 不能作为 async方法 或 迭代器方法 的参数，因为参数会被状态机捕获，并保存在堆上。
- 不能在 await 和 yield 语句中使用，因为相关的变量会被状态机捕获，并保存在堆上。
- 不能被闭包捕获，因为编译器会将闭包转换为一个类，并将捕获的变量作为类的字段。
作为能保存托管指针的的 ref struct，也只允许在栈上分配内存。C# 对 ref struct 的限制主要如下：
- 不能作为类或者非
ref struct的结构体的字段。 - 不能作为静态字段。
- 不能装箱。无法将
ref struct装箱为object或者接口类型。也无法将ref struct作为数组元素。 - 不能作为 async方法 的参数，因为参数会被状态机捕获，并保存在堆上。但可以作为迭代器方法的参数。
- 不能在 await 和 yield 语句中使用，因为相关的变量会被状态机捕获，并保存在堆上。
- 不能被闭包捕获，因为编译器会将闭包转换为一个类，并将捕获的变量作为类的字段。
指向对象引用的托管指针#
托管指针指向对象引用时，和指针（Pointer）一样，都类似于一个二级指针。
下面是一个简单的例子，演示了如何使用托管指针指向对象引用：
class Program
{
static void Main()
{
Foo foo = new Foo
{
Bar = 1
};
// 声明一个托管指针，指向 foo 的地址
// ldloca.s foo // 加载 foo 的地址
// stloc.1 // 将转换后的 int 存储到 fooPtr
ref Foo fooPtr = ref foo;
// 访问托管指针指向的对象引用
// ldloc.1 // 加载 fooPtr
// ldind.ref // 将 fooPtr 指向的对象引用加载到栈上
// callvirt instance int32 Foo::get_Bar()
// call void [System.Console]System.Console::WriteLine(int32)
Console.WriteLine(fooPtr.Bar); // 输出 1
// 修改托管指针指向的对象引用
// ldloc.1 // 加载 fooPtr
// newobj instance void Foo::.ctor()
// dup
// ldc.i4.2
// callvirt instance void Foo::set_Bar(int32)
// nop
// stind.ref // 新的 Foo 对象的地址保存通过 fooPtr 保存到 foo
fooPtr = new Foo
{
Bar = 2
};
// 访问托管指针指向的对象引用
Console.WriteLine(foo.Bar); // 输出 2
// 通过托管指针修改原对象的属性
// ldloc.1 // 加载 fooPtr
// ldind.ref // 将 fooPtr 指向的对象引用加载到栈上
// ldc.i4.3 // 将 3 压入栈上
// callvirt instance void Foo::set_Bar(int32)
// nop
fooPtr.Bar = 3;
Console.WriteLine(foo.Bar); // 输出 3
}
}
public struct Foo
{
public int Bar { get; set; }
}
上面的代码中，ref Foo fooPtr = ref foo; 声明了一个托管指针 fooPtr，指向 foo 的地址。
fooPtr 是一个托管指针，指向 foo 的地址，虽然语法可以直接访问 fooPtr.Bar 的属性，但其过程是先将 fooPtr 指向的对象引用加载到栈上，然后调用 get_Bar() 方法获取属性值。
fooPtr = new Foo { Bar = 2 }; 修改了 fooPtr 指向的对象引用，也就是修改了 foo 的值。
和指针（Pointer）那一章节生成的 IL 代码进行对比，你会发现，唯一的区别是将变量地址保存到指针时，指针比托管指针多了一个 conv.u 指令。
class Program
{
static unsafe void Main()
{
Foo foo = new Foo
{
Bar = 1
};
// ldloca.s foo
// conv.u // 将 foo 的地址转换为unsigned native int
// stloc.1 // fooPtr1
Foo* fooPtr1 = &foo;
// ldloca.s foo
// stloc.2 // fooPtr2
ref Foo fooPtr2 = ref foo;
}
}
public struct Foo
{
public int Bar { get; set; }
}
可以看出唯一的区别就是 指针（Pointer）和托管指针（Managed Pointer）在保存变量地址时，指针（Pointer）需要转换为 unsigned native int，而托管指针（Managed Pointer）不需要转换。
在获取对象引用时 ldind.ref 同时支持两种指针格式。
指向 GC Heap 的托管指针#
托管指针受 GC 管理，不用关注指向的数据是否在 GC 过程中被移动。在 GC 过程中，托管指针会被自动更新为新的地址。
下面是一个简单的例子，演示了如何使用托管指针指向引用类型的实例字段：
class Program
{
static void Main()
{
Foo foo = new Foo
{
Bar = 1
};
ref int p = ref foo.Bar; // 声明一个托管指针，指向 foo 的 Bar 字段
Console.WriteLine(p); // 输出 1
p = 2; // 修改托管指针 p 指向的值，即修改 foo 的 Bar 字段
Console.WriteLine(foo.Bar); // 输出 2
}
}
public class Foo
{
public int Bar;
}
指向数组元素的托管指针#
托管指针可以指向数组元素，但不支持指针算法。
class Program
{
static void Main()
{
int[] arr = new int[5] { 0, 1, 2, 3, 4 };
// 声明一个托管指针，指向数组的第一个元素
ref int p = ref arr[0];
Console.WriteLine(p); // 输出 0
p = 10; // 修改托管指针 p 指向的值，即修改数组的第一个元素
Console.WriteLine(arr[0]); // 输出 10
}
}
指向静态字段的托管指针#
class Program
{
static void Main()
{
// 声明一个托管指针，指向静态字段 Foo.StaticField 的地址
ref int p = ref Foo.StaticField;
Console.WriteLine(p); // 输出 0
p = 20; // 修改托管指针 p 指向的值，即修改 Foo.StaticField 的值
Console.WriteLine(Foo.StaticField); // 输出 20
}
}
public class Foo
{
public static int StaticField;
}
作为方法参数的托管指针#
目前，我们有下面几种方法可以声明托管指针作为方法参数：
注意：托管指针本身是值传递，无法在方法内修改外部的托管指针的指向
ref关键字：表示参数是一个引用类型的托管指针，方法内部可以修改托管指针指向的外部变量。class Program { static void Main() { int a = 10; int b = 20; ref int p1 = ref a; // 声明一个托管指针，指向变量 a 的地址 ref int p2 = ref b; // 声明一个托管指针，指向变量 b 的地址 Modify(ref p1, ref p2); // 传递托管指针作为参数 Console.WriteLine(a); // 输出 11 Console.WriteLine(b); // 输出 22 } static void Modify(ref int p1, ref int p2) { p1 = 11; // 修改托管指针 p1 指向的变量 a 的值 p1 = ref p2; // 将托管指针 p1 指向变量 b 的地址，但托管指针本身是值传递的，不会影响原变量 a 的值，这边修改的只是作为参数的 p1 的值 p1 = 22; // 修改托管指针 p1 指向的变量 b 的值 } }in关键字：表示参数是一个只读的托管指针，方法内部不能修改托管指针指向的外部变量。class Program { static void Main() { int a = 10; int b = 20; ref int p1 = ref a; // 声明一个托管指针，指向变量 a 的地址 ref int p2 = ref b; // 声明一个托管指针，指向变量 b 的地址 Modify(ref p1, ref p2); // 传递托管指针作为参数 Console.WriteLine(a); // 输出 10 Console.WriteLine(b); // 输出 20 } static void Modify(in int p1, in int p2) { // p1 = 11; // 错误：不能修改 in 托管指针指向的变量 a 的值 p1 = ref p2; // 无效：不能修改 in 托管指针 ref int p1 的指向 } }out关键字：表示参数是一个输出参数，方法内部必须通过托管指针对其指向的外部变量赋值。class Program { static void Main() { int a = 10; int b = 20; Modify(out a, out b); // 传递托管指针作为参数 Console.WriteLine(a); Console.WriteLine(b); } static void Modify(out int p1, out int p2) { p1 = 11; // 修改 p1 指向的变量 a 的值，不赋值会报错 p2 = 22; // 修改 p2 指向的变量 b 的值，不赋值会报错 p1 = ref p2; // 无效：不能修改 out 托管指针 ref int p1 的指向 } }readonly ref关键字：按目前的标准，作为参数时和in关键字的效果是一样的。class Program { static void Main() { int a = 10; ref int p = ref a; // 声明一个托管指针，指向变量 a 的地址 ModifyRef(ref p); ModifyRefReadonly(ref p); ModifyInt(in p); } static void ModifyRef(ref int p) { Console.WriteLine(p); // 可以读取托管指针指向的变量的值 p = 11; // 修改托管指针指向的变量的值 } static void ModifyInt(in int p) { Console.WriteLine(p); // 可以读取 in 托管指针指向的变量的值 p = 11; // 错误：不能修改 in 托管指针指向的变量的值 } static void ModifyRefReadonly(ref readonly int p) { Console.WriteLine(p); // 可以读取 ref readonly 托管指针指向的变量的值 p = 11; // 错误：不能修改 in 托管指针指向的变量的值 } }
ref readonly 托管指针#
在声明作为局部变量的托管指针时，可以使用 ref readonly 关键字，表示无法通过这个托管指针修改其指向的数据，但是可以修改托管指针的指向。
class Program
{
static void Main()
{
int a = 10;
// 声明一个 ref readonly 托管指针，指向变量 a 的地址
ref readonly int p1 = ref a;
// p1 = 20; // 错误：无法修改指向的变量的值
int b = 20;
p1 = ref b; // 可以指向其他变量
Console.WriteLine(p1); // 输出 20
Console.WriteLine(a); // 输出 10，a 的值没有改变
}
}
作为 ref struct 的字段的托管指针#
ref struct 表示一个引用类型的结构体，具有类似于托管指针的限制。
在 ref struct 可以声明托管指针作为字段。
注意：只能在 ref struct 的构造函数中对 ref 字段 进行初始化，不支持初始化器初始化或者实例化完成之后的初始化，否则将触发 NullReferenceException。
using System.Runtime.CompilerServices;
var foo = new Foo();
// 不能用 == null 来判断，会触发 NullReferenceException
// Console.WriteLine(foo.Value == null);
// 只能用 Unsafe.IsNullRef 来判断
Console.WriteLine(Unsafe.IsNullRef(foo.Value));
// 不能在 ref struct 实例化完成之后对 ref 字段进行初始化，会触发 NullReferenceException
// foo.Value = 1;
// 只能在 ref struct 的构造函数中对 ref 字段进行初始化
int value = 1;
var bar = new Bar(ref value);
Console.WriteLine(bar.Value);
ref struct Foo
{
public ref int Value;
}
ref struct Bar
{
public Bar(ref int value)
{
Value = ref value;
}
public ref int Value;
}
有几种方式可以声明 ref struct 的字段：
ref关键字：表示字段是一个引用类型的托管指针，可以修改指针指向的数据以及修改指针的指向。var a = 1; var foo = new Foo(ref a); Console.WriteLine(foo.Value); // 输出 1 // 修改指针指向的数据 foo.Value = 11; Console.WriteLine(a); // 输出 11 // 修改指针的指向 var b = 2; // 将指针重新指向 b foo.Value = ref b; Console.WriteLine(foo.Value); // 输出 2 ref struct Foo { // 声明一个托管指针，指向 int 类型的值 public ref int Value; public Foo(ref int value) { // 在构造函数中初始化托管指针 Value = ref value; } }ref readonly关键字：表示字段是一个指向只读数据的托管指针，不能修改指针指向的数据，但可以修改指针的指向。var a = 1; var foo = new Foo(ref a); Console.WriteLine(foo.Value); // 输出 1 // foo.Value = 11; // 编译错误：不能修改只读数据 // 修改指针的指向 var b = 2; // 将指针重新指向 b foo.Value = ref b; Console.WriteLine(foo.Value); // 输出 2 ref struct Foo { // 声明一个指向只读数据的托管指针，指向 int 类型的值 public ref readonly int Value; public Foo(ref int value) { // 在构造函数中初始化托管指针 Value = ref value; } }readonly ref关键字：表示字段是一个只读的托管指针，不能修改指针的指向，但可以修改指针指向的数据。var a = 1; var foo = new Foo(ref a); Console.WriteLine(foo.Value); // 输出 1 // 修改指针指向的数据 foo.Value = 11; Console.WriteLine(a); // 输出 11 // 修改指针的指向 var b = 2; // 将指针重新指向 b // foo.Value = ref b; // 编译错误：不能修改只读指针的指向 ref struct Foo { // 声明一个只读的托管指针，指向 int 类型的值 public readonly ref int Value; public Foo(ref int value) { // 在构造函数中初始化托管指针 Value = ref value; } }readonly ref readonly关键字：表示字段是一个指向只读数据的只读托管指针，不能修改指针的指向，也不能修改指针指向的数据。var a = 1; var foo = new Foo(ref a); Console.WriteLine(foo.Value); // 输出 1 // foo.Value = 11; // 编译错误：不能修改只读数据 int b = 2; // 将指针重新指向 b // foo.Value = ref b; // 编译错误：不能修改只读指针的指向 ref struct Foo { // 声明一个指向只读数据的只读托管指针，指向 int 类型的值 public readonly ref readonly int Value; public Foo(ref int value) { // 在构造函数中初始化托管指针 Value = ref value; } }
托管指针受 GC 管理#
托管指针受 GC 管理，不用关注指向的数据是否在 GC 过程中被移动。在 GC 过程中，托管指针会被自动更新为新的地址。
下面的例子中演示了用 指针（Pointer）和 托管指针（Managed Pointer）分别指向数组元素的情况。
GetArrayElementPointer 方法中的数组对象在方法结束后失去了根引用，GC 会在下一次回收时将其回收。
GetArrayElementManagedPointer 方法中的数组对象在方法结束后仍然有托管指针作为根引用，GC 不会回收它。
unsafe class Program
{
static void Main()
{
Console.WriteLine("before GC");
// 获取指针
int* p1 = GetArrayElementPointer(out var wr1);
// 输出 true，表示数组对象仍然存在
Console.WriteLine($"wr1.IsAlive: {wr1.IsAlive}");
// 输出 1
Console.WriteLine($"*p1: {*p1}");
// 获取托管指针
ref int p2 = ref GetArrayElementManagedPointer(out var wr2);
// 输出 true，表示数组对象仍然存在
Console.WriteLine($"wr2.IsAlive: {wr2.IsAlive}");
// 输出 2
Console.WriteLine($"p2: {p2}");
GC.Collect();
Console.WriteLine();
Console.WriteLine("after GC");
// 输出 false，表示数组对象已被回收
Console.WriteLine($"wr1.IsAlive: {wr1.IsAlive}");
// 输出 随机值，有可能是 0，也有可能是其他值
Console.WriteLine($"*p1: {*p1}");
// 输出 true，表示数组对象仍然存在
Console.WriteLine($"wr2.IsAlive: {wr2.IsAlive}");
// 输出 2
Console.WriteLine($"p2: {p2}");
}
static int* GetArrayElementPointer(out WeakReference wr)
{
int[] arr = [1];
wr = new WeakReference(arr);
fixed (int* p = &arr[0])
{
return p;
}
}
static ref int GetArrayElementManagedPointer(out WeakReference wr)
{
int[] arr = [2];
wr = new WeakReference(arr);
return ref arr[0];
}
}
Unsafe.AsRef 方法#
Unsafe.AsRef<T> 有两个重载：
AsRef<T>(Void*)： 将非托管指针转换为指向 类型的 T值的托管指针。using System.Runtime.CompilerServices; unsafe class Program { static void Main() { int a = 10; int* p = &a; // 将非托管指针转换为指向 int 的托管指针 ref int p1 = ref Unsafe.AsRef<int>(p); Console.WriteLine(p1); // 输出 10 p1 = 20; // 修改托管指针 p1 指向的值，即修改 a 的值 Console.WriteLine(a); // 输出 20 } }AsRef<T>(T)： 将给定的ref readonly托管指针重新解释为可以修改指向的值的托管指针。可以修改
ref readonly托管指针指向的值。using System.Runtime.CompilerServices; class Program { static void Main() { int a = 10; // 声明一个 ref readonly 托管指针，指向变量 a 的地址 ref readonly int p1 = ref a; // 将 ref readonly 托管指针转换为普通的托管指针 ref int p2 = ref Unsafe.AsRef<int>(p1); Console.WriteLine(p2); // 输出 10 p2 = 20; // 修改托管指针 p2 指向的值，即修改 a 的值 Console.WriteLine(a); // 输出 20 Console.WriteLine(p1); // 输出 20，p1 仍然指向 a 的地址 } }也可以修改
ref struct的ref readonly或readonly ref readonly字段的值。using System.Runtime.CompilerServices; var a = 1; var foo = new Foo(ref a); Console.WriteLine(foo.Value); // 输出 1 ref int p = ref Unsafe.AsRef(foo.Value); // 获取指向 foo.Value 的指针 p = 11; // 修改指针指向的值 Console.WriteLine(a); // 输出 11 ref struct Foo { // 声明一个指向只读数据的只读托管指针，指向 int 类型的值 public readonly ref readonly int Value; public Foo(ref int value) { // 在构造函数中初始化托管指针 Value = ref value; } }
