Язык программирования C#9 и платформа .NET5 - Эндрю Троелсен

В главе 4 вы узнали, что в рамках платформы .NET Core определены две крупные категории данных: типы значений и ссылочные типы. По правде говоря, на самом деле есть еще и третья категория: типы указателей. Для работы с типами указателей доступны специфичные операции и ключевые слова (табл. 11.2), которые позволяют обойти схему управления памятью исполняющей среды .NET 5 и взять дело в свои руки.

Перед погружением в детали следует еще раз подчеркнуть, что вам очень редко, если вообще когда-нибудь, понадобится использовать типы указателей. Хотя C# позволяет опуститься на уровень манипуляций указателями, помните, что исполняющая среда .NET Core не имеет абсолютно никакого понятия о ваших намерениях. Соответственно, если вы неправильно управляете указателем, то сами и будете отвечать за последствия. С учетом этих предупреждений возникает вопрос: когда в принципе может возникнуть необходимость работы с типами указателей? Существуют две распространенные ситуации.

• Нужно оптимизировать избранные части приложения, напрямую манипулируя памятью за рамками ее управления со стороны исполняющей среды .NET 5.

• Необходимо вызывать методы из DLL-библиотеки, написанной на С, либо из сервера СОМ, которые требуют передачи типов указателей в качестве параметров. Но даже в таком случае часто можно обойтись без применения типов указателей, отдав предпочтение типу System.IntPtr и членам типа System.Runtime.InteropServices.Marshal.

Если вы решили задействовать данное средство языка С#, тогда придется информировать компилятор C# о своих намерениях, разрешив проекту поддерживать "небезопасный код". Создайте новый проект консольного приложения по имени UnsafeCode и включите поддержку небезопасного кода, добавив в файл UnsafeCode.csproj следующие строки:

<PropertyGroup>

  <AllowUnsafeBlocks>true</AllowUnsafeBlocks>

</PropertyGroup>

Для установки этого свойства в Visual Studio предлагается графический пользовательский интерфейс. Откройте окно свойств проекта. В раскрывающемся списке Configuration (Конфигурация) выберите вариант All Configurations (Все конфигурации), перейдите на вкладку Build (Сборка) и отметьте флажок Allow unsafe code (Разрешить небезопасный код), как показано на рис. 11.1.

Ключевое слово unsafe

Для работы с указателями в C# должен быть специально объявлен блок "небезопасного кода" с использованием ключевого слова unsafe (любой код, который не помечен ключевым словом unsafe, автоматически считается "безопасным"). Например, в следующем файле Program.cs объявляется область небезопасного кода внутри операторов верхнего уровня:

using System;

using UnsafeCode;

Console.WriteLine("***** Calling method with unsafe code *****");

unsafe

{

  // Здесь работаем с указателями!

}

// Здесь работа с указателями невозможна!

В дополнение к объявлению области небезопасного кода внутри метода можно строить "небезопасные" структуры, классы, члены типов и параметры. Ниже приведено несколько примеров (типы Node и Node2 в текущем проекте определять не нужно):

// Эта структура целиком является небезопасной и может

// использоваться только в небезопасном контексте.

unsafe struct Node

{

  public int Value;

  public Node* Left;

  public Node* Right;

}

// Эта структура безопасна, но члены Node2* - нет.

// Формально извне небезопасного контекста можно

// обращаться к Value, но не к Left и Right.

public struct Node2

{

  public int Value;

  // Эти члены доступны только в небезопасном контексте!

  public unsafe Node2* Left;

  public unsafe Node2* Right;

}

Методы (статические либо уровня экземпляра) также могут быть помечены как небезопасные. Предположим, что какой-то статический метод будет использовать логику указателей. Чтобы обеспечить возможность вызова данного метода только из небезопасного контекста, его можно определить так:

static unsafe void SquareIntPointer(int* myIntPointer)

{

  // Возвести значение в квадрат просто для тестирования.

  *myIntPointer *= *myIntPointer;

}

Конфигурация метода требует, чтобы вызывающий код обращался к методу SquareIntPointer() следующим образом:

unsafe

{

  int myInt = 10;

  // Нормально, мы находимся в небезопасном контексте.

  SquareIntPointer(&myInt);

  Console.WriteLine("myInt: {0}", myInt);

}

int myInt2 = 5;

// Ошибка на этапе компиляции!

// Это должно делаться в небезопасном контексте!

SquareIntPointer(&myInt2);

Console.WriteLine("myInt: {0}", myInt2);

Если вы не хотите вынуждать вызывающий код помещать такой вызов внутрь небезопасного контекста, то можете поместить все операторы верхнего уровня в блок unsafe. При использовании в качестве точки входа метода Main() можете пометить Main() ключевым словом unsafe. В таком случае приведенный ниже код скомпилируется:

static unsafe void Main(string[] args)

{

  int myInt2 = 5;

  SquareIntPointer(&myInt2);

  Console.WriteLine("myInt: {0}", myInt2);

}

Запустив такую версию кода, вы получите следующий вывод:

myInt: 25

На заметку! Важно отметить, что термин "небезопасный" был выбран небезосновательно. Прямой доступ к стеку и работа с указателями может приводить к неожиданным проблемам с вашим приложением, а также с компьютером, на котором оно функционирует. Если вам приходится иметь дело с небезопасным кодом, тогда будьте крайне внимательны.

Работа с операциями * и &

После установления небезопасного контекста можно строить указатели и типы данных с помощью операции *, а также получать адрес указываемых данных посредством операции &. В отличие от С или C++ в языке C# операция * применяется только к лежащему в основе типу, а не является префиксом имени каждой переменной указателя. Например, взгляните на показанный далее код, демонстрирующий правильный и неправильный способы объявления указателей на целочисленные переменные:

// Нет! В C# это некорректно!

int *pi, *pj;

// Да! Так поступают в С#.

int* pi, pj;

Рассмотрим следующий небезопасный метод:

static unsafe void PrintValueAndAddress()

{

  int myInt;

  // Определить указатель на int и присвоить ему адрес myInt.

  int* ptrToMyInt = &myInt;

  // Присвоить значение myInt, используя обращение через указатель.

  *ptrToMyInt = 123;

  // Вывести некоторые значения.

  Console.WriteLine("Value of myInt {0}", myInt);

                  //