C# 开发中非托管内存的使用

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2025-06-19

什么是非托管内存

在 C# 中，非托管内存指的是由开发者直接管理的内存，而不是由.NET 的垃圾回收器（GC）自动管理的内存。非托管内存通常通过使用指针、Marshal 类或调用 Win32 API 来分配和释放。与托管内存相比，非托管内存需要程序员在使用后手动释放，以防止内存泄漏。

非托管内存的常见用例包括：

互操作性：与 C 或 C++ 等非托管代码进行交互。
性能优化：在性能要求极高的场景下，减少垃圾回收的负担。
使用特定的系统资源：访问系统调用或硬件资源时。

非托管内存的管理需要谨慎，以避免常见的错误，比如内存泄漏、越界访问等。

[!info] 值得注意的是，非托管内存并非仅限于 windows 平台下的开发，Linux 和 macOS 下也有相关的 API 可供使用。

非托管内存的使用方式

DllImport

P/Invoke：通过 P/Invoke（平台调用）来调用非托管代码（如 C/C++ 库）。开发者使用 DllImport 特性来声明外部函数，并使用非托管内存作为参数或返回值，例如：

[DllImport("kernel32.dll")] 
public static extern IntPtr GlobalAlloc(uint uFlags, UIntPtr dwBytes);

[DllImport("kernel32.dll")] 
public static extern bool GlobalFree(IntPtr hMem);

这些方法通过 [[IntPtr]] 类型来操作非托管内存，IntPtr 是一个平台相关的整数类型，用于表示指针或句柄。

Interop Services

使用 Marshal 类分配和释放非托管内存

int size = 10 * sizeof(int); // 分配能够存放10个整数的内存
IntPtr ptr = Marshal.AllocHGlobal(size);

try
{
    // 填充非托管内存
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        Marshal.WriteInt32(ptr, i * sizeof(int), i);
    }

    // 读取非托管内存
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        int value = Marshal.ReadInt32(ptr, i * sizeof(int));
        Console.WriteLine(value);
    }
}
finally
{
    Marshal.FreeHGlobal(ptr); // 释放内存
}

Marshal 类提供了一系列用于操作非承管内存的方法，如 AllocHGlobal、FreeHGlobal、WriteInt32、ReadInt32 等。

使用 `unsafe` 代码块

在 C# 中，可以使用 unsafe 关键字来声明不安全代码块，从而使用指针来操作非托管内存。例如：

int size = 10;
int* ptr = (int*)Marshal.AllocHGlobal(size * sizeof(int));

try
{
    for (int i = 0; i < size; i++)
    {
        ptr[i] = i; // 填充内存
    }

    for (int i = 0; i < size; i++)
    {
        Console.WriteLine(ptr[i]); // 读取内存
    }
}
finally
{
    Marshal.FreeHGlobal((IntPtr)ptr); // 释放内存
}

IO 操作

在 C# 中，可以使用 FileStream、MemoryMappedFile 等类来操作非托管内存。例如：

string filePath = "largefile.bin";
int bufferSize = 4096; // 4KB

IntPtr buffer = Marshal.AllocHGlobal(bufferSize);
try
{
    using (FileStream fs = new FileStream(filePath, FileMode.Open))
    {
        int bytesRead;
        while ((bytesRead = fs.Read(new Span<byte>(buffer.ToPointer(), bufferSize))) > 0)
        {
            // 处理读取的数据
        }
    }
}
finally
{
    Marshal.FreeHGlobal(buffer);
}

与硬件交互

在 C# 中，可以使用 System.IO.Ports 命名空间来操作串口等硬件资源。例如：

public unsafe void InteractWithDevice()
{
    using (SerialPort port = new SerialPort("COM1"))
    {
        port.Open();
        byte[] buffer = new byte[1024];
        fixed (byte* ptr = buffer)
        {
            // 读取数据
            port.Read(ptr, buffer.Length, 0);
        }
    }
}