为什么固定大小的缓冲区只能是基本类型？

Question

我们需要经常与本地代码进行互操作，在这种情况下，使用不需要编组的非安全结构体会快得多。但是，当结构包含非原始类型的固定大小缓冲区时，我们无法这样做。 为什么C#编译器要求固定大小的缓冲区只能是原始类型？为什么不能将固定大小的缓冲区设置为结构体，例如：

[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
struct SomeType
{
  int Number1;
  int Number2;
}

- jakobbotsch

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但是编译器已经完成了这个。如果您尝试创建一个指向包含任何这些内容的结构体的指针，您会收到编译器错误：http://msdn.microsoft.com/en-us/library/x2estayf(v=vs.90).aspx - jakobbotsch

您可以查看 http://tutorials.csharp-online.net/Use_Interop%E2%80%94Fixed_Size_Buffers。 - user1088520

“但这已经被编译器完成了。”只是部分地完成了。编译器可以检查类型是否受管理，但这并不能处理生成代码以读取/写入结构到固定缓冲区的问题。它可以完成（在CIL级别上没有任何阻止），只是在C#中没有实现。 - Ibasa

@Mehrdad那有点阴谋论，你觉得呢？ - Blorgbeard

@Blorgbeard：当然，但这是我能想到的唯一合乎逻辑的解释。否则你怎么解释在C#中与本地代码交互如此困难的事实呢？我再给你举个例子：如果泛型类型不包含任何托管成员，它们为什么不能是非托管的呢？但他们积极地阻止制作非托管本机类型，这并没有技术上的理由。他们为什么要这样做呢？对我来说，最合乎逻辑的解释可能是他们想推广托管代码。 - user541686

Answer 1

在C#中，固定大小的缓冲区是通过一个名为“opaque classes”的CLI特性实现的。Ecma-335的第I.12.1.6.3节对它们进行了描述：

一些语言提供多字节数据结构，其内容通过地址算术和间接操作直接操作。为支持此功能，CLI允许创建具有指定大小但没有关于其数据成员的任何信息的值类型。这些“不透明类”的实例与任何其他类的实例处理方式完全相同，但不应使用ldfld、stfld、ldflda、ldsfld和stsfld指令来访问它们的内容。

"无法获取数据成员的信息"和"不得使用ldfld/stfld"是关键。第二条规则禁止结构体，因为需要使用ldfld和stfld来访问它们的成员。C#编译器无法提供替代方案，结构体的布局是运行时实现细节。Decimal和Nullable<>也不行，因为它们也是结构体。IntPtr也不行，因为其大小取决于进程的位数，这使得C#编译器很难生成用于访问缓冲区的ldind/stind操作码的地址。引用类型的引用也不行，因为GC需要能够找到它们，但根据第一条规则，它们无法被找回。枚举类型的大小取决于其基础类型，听起来像是可以解决的问题，但不确定为什么要跳过它。

因此，只剩下C#语言规范中提到的类型：sbyte、byte、short、ushort、int、uint、long、ulong、char、float、double或bool。只有具有明确定义大小的简单类型。

- Hans Passant

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自从“IntPtr已经过时”是真的吗？ struct S { IntPtr p1, p2, p3; } 是完全不受管理的，您可以很好地使用 sizeof(S)。 同样，对于 struct P { void* p1, p2, p3; } 和 sizeof(P) 等等... 没有理由禁止这些（它们也没有被禁止）。 您的回答对我来说毫无意义。 - user541686

你似乎把大小问题和不能使用ldfld/stfld的问题混淆了。他们没有编写代码从使用sizeof的表达式生成ldind/stind地址。Eric Lippert对为什么不这样做的回答总是相同的。 - Hans Passant

虽然我不是C#大师，但通常在VM级别上这样的规格是与线程安全相关的原子性有关。 VM可以原子地操作基元，但不能对任何类型的结构进行操作。这是保持线程安全保证的唯一方法。 - WeaponsGrade

Answer 2

什么是固定缓冲区？

来自MSDN：

在C#中，您可以使用fixed语句在数据结构中创建具有固定大小数组的缓冲区。当您使用现有代码时，例如使用其他语言编写的代码、预先存在的DLL或COM项目时，这非常有用。固定数组可以采用任何允许正常结构成员的属性或修饰符。唯一的限制是，数组类型必须为 bool、byte、char、short、int、long、sbyte、ushort、uint、ulong、float 或 double。

我引用Hans Passant先生的话，解释为什么需要使用unsafe关键字来定义固定缓冲区。您可以查看Why is a fixed size buffers (arrays) must be unsafe?了解更多信息。

因为“固定缓冲区”不是一个真正的数组。它是一种自定义值类型，是我所知道的在C#语言中生成一种自定义值类型的唯一方法。CLR无法验证数组的索引是否以安全的方式进行。该代码也无法验证。最明显的证明是：

using System;

class Program {
    static unsafe void Main(string[] args) {
        var buf = new Buffer72();
        Console.WriteLine(buf.bs[8]);
        Console.ReadLine();
    }
}
public struct Buffer72 {
    public unsafe fixed byte bs[7];
}

在这个例子中，您可以任意访问堆栈帧。标准的缓冲区溢出注入技术可用于恶意代码，以修补函数返回地址并强制您的代码跳转到任意位置。

是的，这非常不安全。

为什么固定大小的缓冲区不能包含非基本数据类型？

Simon White提出了一个有效的观点：

“我会选择‘编译器增加的复杂性’。编译器必须检查是否将.NET特定功能应用于适用于枚举项的结构体。例如，泛型、接口实现、非基元数组的更深层次属性等。毫无疑问，运行时也会有一些与此类事情的交互问题。”

Ibasa说：

“但这只是部分实现了。编译器可以检查类型是否受管控，但这并不能处理生成代码来读取/写入结构体到固定缓冲区的问题。它可以做到（在CIL级别没有任何障碍），只是在C#中没有实现。”

最后，Mehrdad说：

“我认为这实际上是因为他们不希望您使用固定大小的缓冲区（因为他们希望您使用托管代码）。使与本地代码的互操作变得太容易会使您不太可能将.NET用于所有内容，他们希望尽可能推广托管代码。”

答案似乎是“它只是没有实现”。

为什么没有实现呢？

我的猜测是，对开发人员来说，成本和实现时间不值得。开发人员更愿意在C#中推广托管代码而不是非托管代码。未来版本的C#可能会实现它，但当前的CLR缺少许多所需的复杂性。

另一种选择可能是安全问题。考虑到如果在您的代码中实现不良，则固定缓冲区极易受到各种问题和安全风险的攻击，我可以理解为什么在C#中鼓励使用托管代码而不是它们。为什么要花费大量精力去做一些您想要阻止使用的事情呢？

- DanteTheEgregore

Answer 3

我理解你的观点...另一方面，我认为这可能是Microsoft保留的某种前向兼容性。你的代码被编译成MSIL，并且它的布局在内存中是特定.NET框架和操作系统的业务。

我可以想象到会有新的Intel CPU问世，它要求将变量按照每8字节布局以获得最佳性能。在那种情况下，未来可能需要在某个未来的.NET框架6和Windows 9中以不同方式布局这些结构体。在这种情况下，你的示例代码将对Microsoft构成压力，不要改变将来的内存布局，也不要将.NET框架加速到现代硬件。

这只是猜测...

你尝试过设置FieldOffset吗？参考C++中的C#联合

- Tomas Kubes