.NET C# 不安全/固定不固定直通数组元素？

Question

我有一些并发代码出现间歇性故障，我已将问题减少到两种看起来相同的情况，但其中一种失败，另一种则没有。

我现在花了太多时间尝试创建一个失败的最小完整示例，但没有成功，所以我只是发布失败的行，以防任何人都可以看到明显的问题。

Object lock = new Object();

struct MyValueType { readonly public int i1, i2; };
class Node { public MyValueType x; public int y; public Node z; };
volatile Node[] m_rg = new Node[300];

unsafe void Foo()
{
    Node[] temp;
    while (true)
    {
        temp = m_rg;
        /* ... */
        Monitor.Enter(lock);
        if (temp == m_rg)
            break;
        Monitor.Exit(lock);
    }

#if OK                                      // this works:
    Node cur = temp[33];
    fixed (MyValueType* pe = &cur.x)
        *(long*)pe = *(long*)&e;
#else                                       // this reliably causes random corruption:
    fixed (MyValueType* pe = &temp[33].x)
        *(long*)pe = *(long*)&e;
#endif

    Monitor.Exit(lock);
}

我研究了 IL 代码，看起来发生的情况是数组位置 33 处的 Node 对象正在移动（在极少数情况下），尽管我们持有指向其中值类型的指针。

就好像 CLR 没有注意到我们正在通过堆（可移动）对象（数组元素）传递来访问值类型。在 8 路机器上的扩展测试中，“OK”版本从未失败，但备用路径每次都会很快失败。

• 这是否永远不会起作用，并且“OK”版本过于精简而不会在压力下失败？
• 我是否需要使用 GCHandle 自己固定对象（我在 IL 中注意到 fixed 语句本身并没有这样做）？
• 如果这里需要手动固定，为什么编译器允许以这种方式通过堆对象（不固定）进行访问？

注意：这个问题并不是讨论以一种令人讨厌的方式重新解释 blittable 值类型的优雅，所以请不要批评代码的这方面，除非它与手头的问题直接相关。谢谢

[编辑：jited asm] 感谢汉斯的回复，我更好地理解了为什么抖动将东西放在堆栈上，否则看起来像是空洞的汇编操作。例如，请参见 [rsp + 50h]，以及它如何在“固定”区域之后被清零。剩下的未解决的问题是堆栈上的 [cur+18h]（第 207-20C 行）是否足以以某种方式保护对值类型的访问，而这种方式对于 [temp+33 来说不 *IntPtr.Size+18h]（第 24A 行）。

[edit]

结论摘要，最小示例

比较下面的两个代码片段，我现在相信 #1不行，而#2 是可以接受的。

(1.) 以下失败（至少在 x64 jit 上）；如果您尝试通过数组引用在原位修复它，GC 仍然可以移动 MyClass 实例。堆栈上没有地方可以发布特定对象实例（需要修复的数组元素）的引用，以供 GC 注意到。

struct MyValueType { public int foo; };
class MyClass { public MyValueType mvt; };
MyClass[] rgo = new MyClass[2000];

fixed (MyValueType* pvt = &rgo[1234].mvt)
    *(int*)pvt = 1234;

(2.) 但是，如果您在堆栈上提供了可以通告给的显式引用，则您可以使用固定（无需固定）来访问（可移动）对象内部的结构GC：

struct MyValueType { public int foo; };
class MyClass { public MyValueType mvt; };
MyClass[] rgo = new MyClass[2000];

MyClass mc = &rgo[1234];              // <-- only difference -- add this line
fixed (MyValueType* pvt = &mc.mvt)    // <-- and adjust accordingly here
    *(int*)pvt = 1234;

这是我将保留的地方，除非有人可以提供更正或更多信息......

Answer 1

通过固定指针修改托管类型的对象可能会导致未定义的行为
（C# 语言规范，第 18.6 章。）

好吧，您正在这样做。尽管规范和 MSDN 库中有很多措辞，但 fixed 关键字实际上并不会使对象不可移动，它不会被固定。您可能通过查看 IL 发现了这一点。它使用了一个巧妙的技巧，通过生成指针+偏移量并让垃圾收集器调整指针。我没有很好的解释为什么在一种情况下失败而在另一种情况下失败。我没有看到生成的机器代码有根本的区别。但后来我可能也没有重现您的确切机器代码，该片段不是很好。

据我所知，由于结构成员访问，这两种情况都应该失败。这会导致指针 + 偏移量通过 LEA 指令折叠为单个指针，从而阻止垃圾收集器识别该引用。结构一直是抖动的麻烦所在。也许线程计时可以解释这种差异。

您可以发帖到 connect.microsoft.com 寻求第二意见。然而，解决规范违规问题将会很困难。如果我的理论是正确的，那么读取也可能会失败，但证明起来要困难得多。

通过使用 GCHandle 实际固定数组来修复它。

Answer 2

对此感到困惑，我在这里猜测，编译器似乎正在采用 &temp （指向 tmp 数组的固定指针），然后用 [33] 对其进行索引。因此，您要固定临时数组，而不是节点。尝试...

fixed (MyValueType* pe = &(temp[33]).x)
    *(long*)pe = *(long*)&e;