从C++看C#托管内存与非托管内存

技术分享 2年前 (2024-08-02) 0 999+

进程的内存

一个exe文件，在没有运行时，其磁盘存储空间格式为函数代码段+全局变量段。加载为内存后，其进程内存模式增加为函数代码段+全局变量段+函数调用栈+堆区。我们重点讨论堆区。

进程内存
函数代码段
全局变量段
函数调用栈
堆区

托管堆与非托管堆

C#
int a=10这种代码申请的内存空间位于函数调用栈区，
```
var stu=new Student(); GC.Collect(); 
```
new运算符申请的内存空间位于堆区。关键在于new关键字。在C#中，这个关键字是向CLR虚拟机申请空间，因此这个内存空间位于托管堆上面，如果没有对这个对象的引用，在我们调用GC.Collect()后，或者CLR主动收集垃圾，申请的这段内存空间就会被CLR释放。这种机制简化了内存管理，我们不能直接控制内存的释放时机。不能精确指定释放哪个对象占用的空间。

我不太清楚CLR具体原理，但CLR也只是运行在操作系统上的一个程序。假设它是C++写的，那么我们可以想象，CLR调用C++new关键字后向操作系统申请了一个堆区空间，然后把这个变量放在一个全局列表里面。然后记录我们运行在CLR上面的C#托管程序堆这个对象的引用。当没有引用存在之后，CLR从列表中删除这个对象，并调用delete xxx把内存释放给操作系统。

但是非托管堆呢？
C++
在C++中也有new关键字，比如
```
Student* stu=new Student(); delete stu; //引发异常 cout >> stu->Name >> stu->Age; 
```
申请的内存空间也位于堆区。但又C++没有虚拟机，所以C++中的new关键字实际上是向操作系统申请内存空间，在进程关闭后，又操作系统释放。但是C++给了另一个关键字delete，delete stu可以手动释放向操作系统申请的内存空间。之后访问这个结构体的字段会抛出异常。
C
C语言中没有new关键字，但却有两个函数，malloc和free。
```
int* ptr = (int *)malloc(5 * sizeof(int)); free(ptr); 
```
他们起到了和C++中new关键字相同的作用。也是向操作系统申请一块在堆区的内存空间。

C#通过new关键字向CLR申请的内存空间位于托管堆。C++通过new关键字向操作系统申请的内存空间位于非托管堆。C语言通过malloc和free向操作系统申请的内存空间也位于非托管堆。C#的new关键字更像是对C++的new关键字的封装。

C#如何申请位于非托管堆的内存空间

C#本身的new运算符申请的是托管堆的内存空间，要申请非托管堆内存空间，目前我知道的只有通过调用C++的动态链接库实现。在.net8以前，使用DllImport特性在函数声明上面。在.net8，使用LibraryImport特性在函数声明上面

C++部分

新建一个C++动态链接库项目

然后添加.h头文件和.cpp源文件

//Student.h  #pragma once #include <string> using namespace std;  extern struct Student { 	wchar_t* Name;// 使用 char* 替代 std::string 以保证与C#兼容 	int Age; };  //__declspec(xxx)是MSC编译器支持的关键字，dllexport表示导出后面的函数 /// <summary> /// 创建学生 /// </summary> /// <param name="name">姓名</param> /// <returns>学生内存地址</returns> extern "C" __declspec(dllexport) Student* CreateStudent(const wchar_t* name);  /// <summary> /// 释放堆上的内存 /// </summary> /// <param name="student">学生地址</param> extern "C" __declspec(dllexport) void FreeStudent(Student* student);

//Student.cpp  //pch.h在项目属性中指定，pch.cpp必需 #include "pch.h"  #include "Student.h" #include <cstring>  Student* CreateStudent(const wchar_t* name) { 	//new申请堆空间 	Student* student = new Student; 	student->Age = 10; 	//new申请名字所需要的堆空间 	//wcslen应对unicode,ansi的话,使用strlen和char就够了 	student->Name = new wchar_t[wcslen(name) + 1]; 	//内存赋值 	wcscpy_s(student->Name, wcslen(name) + 1, name); 	return student; }  void FreeStudent(Student* student) { 	// 假设使用 new 分配 	delete[] student->Name;//释放数组形式的堆内存     delete student;  }

生成项目后，在解决方案下的x64Debug中可以找到DLL

C#部分

由于C++动态链接库不符合C#动态链接库的规范。所以没法在C#项目的依赖中直接添加对类库的引用。只需要把DLL放在项目根目录下，把文件复制方式改为总是复制,然后代码中导入。

[DllImport("Student.dll", //指定DLL CharSet=CharSet.Unicode//指定字符串编码 )] public static extern IntPtr CreateStudent(string name);  [DllImport("Student.dll")] private static extern IntPtr FreeStudent(IntPtr stu); 		 public static void Main() {     string studentName = "John";     //用IntPtr接收C++申请空间的起始地址     IntPtr studentPtr = CreateStudent(studentName);      // 在C#中操作Student结构体需要进行手动的内存管理，如下     // 从地址所在内存构建C#对象或结构体，类似于指针的解引用     Student student = Marshal.PtrToStructure<Student>(studentPtr);      // 访问学生信息     //Marshal.PtrToStringUni(student.Name)将一段内存解释为unicode字符串，直到遇见结束符''     Console.WriteLine($"Student Name: {Marshal.PtrToStringUni(student.Name)}, Age: {student.Age}");      // 记得释放分配的内存     FreeStudent(studentPtr); }  // 定义C++的Student结构体 [StructLayout(LayoutKind.Sequential)] public struct Student {     // IntPtr对应C++中的 char*     public IntPtr Name;     public int Age; }

调用结果如下

非托管类释放非托管内存空间

如果我们把C++代码的调用封装成类，那么可以实现IDisposable接口。在Dispose方法中释放资源，然后使用using语句块来确保Dispose方法被调用。这样使得内存泄漏可能性降低。

继承IDisposable接口后按下alt+enter，选择通过释放模式实现接口可以快速生成代码

/// <summary> /// 非托管类 /// </summary> public class Student:IDisposable {     // 定义C++的Student结构体     [StructLayout(LayoutKind.Sequential)]     private struct _Student     {         public IntPtr Name;         public int Age;     }      // IntPtr对应C++中的 char*     //需要在Dispose中手动释放     private IntPtr _this;     private IntPtr name;      public string Name => Marshal.PtrToStringUni(name);     public int Age;      private bool disposedValue;      public Student(string name)     {         _this=CreateStudent(name);         _Student layout = Marshal.PtrToStructure<_Student>(_this); 		//记住要释放的内存起始地址         this.Age = layout.Age;         this.name = layout.Name;     }      [DllImport("Student.dll", CharSet = CharSet.Unicode)]     private static extern IntPtr CreateStudent(string name);      [DllImport("Student.dll")]     private static extern IntPtr FreeStudent(IntPtr stu);      protected virtual void Dispose(bool disposing)     {         if (!disposedValue)         {             if (disposing)             {                 // TODO: 释放托管状态(托管对象)             }              // TODO: 释放未托管的资源(未托管的对象)并重写终结器             if (_this != IntPtr.Zero)             {                 FreeStudent(_this);                 //设置为不可访问                 _this = IntPtr.Zero;                 name = IntPtr.Zero;             }             // TODO: 将大型字段设置为 null             disposedValue = true;         }     }      // // TODO: 仅当“Dispose(bool disposing)”拥有用于释放未托管资源的代码时才替代终结器     // ~Student()     // {     //     // 不要更改此代码。请将清理代码放入“Dispose(bool disposing)”方法中     //     Dispose(disposing: false);     // }      public void Dispose()     {         // 不要更改此代码。请将清理代码放入“Dispose(bool disposing)”方法中         Dispose(disposing: true);         GC.SuppressFinalize(this);     } }

然后在Main中创建对象

string studentName = "John"; using (Student stu=new Student(studentName)) {     Console.WriteLine($"Student Name: {stu.Name}, Age: {stu.Age}"); } return;