追了多年的开发框架，你还认识指针吗？
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作者 | 一线码农聊技术 | 来源 | 一线码农聊技术 （ ID:dotnetfly ）
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 = # => 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~
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