为什么结构的 sizeof 不安全

Question

MSDN 明确声明

对于所有其他类型，包括结构，sizeof 运算符只能 在不安全的代码块中使用。

C# Language Specification 更加精确：

1. 未指定将成员打包到结构中的顺序。
2. 出于对齐目的，开头可能有未命名的填充 结构体、结构体内部和结构体末尾。
3. 用作填充的位的内容是不确定的。
4. 当应用于具有结构类型的操作数时，结果是该类型变量中的总字节数，包括任何填充。

但是 CLR 将如何处理以下结构：

[StructLayout(LayoutKind.Explicit, Size = 1, Pack = 1)]
public struct MyStruct
{
    [FieldOffset(0)] public byte aByte;
}

public struct MyEmptyStruct { }

在MyStruct 中，我们通过StructLayout 属性显式地强制布局、大小以及如何打包它。此结构假定在内存中的大小为 1 个字节。

另一方面，MyEmptyStruct 是空的，我们可以假设内存中的大小为 0 字节 - 即使这样的结构很可能不会被使用，它仍然是一个有趣的案例。

当尝试使用sizeof(MyStruct) 和sizeof(MyEmptyStruct) 计算这些结构的大小时，编译器会抛出以下错误：

'*' 没有预定义的大小，因此 sizeof 只能 在不安全的环境中使用

我想知道为什么在这种情况下使用sizeof 被认为是unsafe。该问题并非旨在寻求解决方法或正确方法来计算结构的大小，而是关注原因。

Answer 1

我想知道为什么在这种情况下使用 sizeof 被认为是不安全的。

Matthew Watson 的评论一针见血。 你打算用安全代码中的信息做什么？它对任何事情都没有用（*）。它没有告诉你需要分配多少非托管字节给封送；那是Marshal.SizeOf。只对指针运算有用，为什么要放在安全子集中​​呢？

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(*) 公平地说，安全sizeof 有一些奇怪的极端情况用法，可以采用包含托管类型的结构。例如，假设您有一个通用集合类，它将分配一堆数组，并希望确保这些数组不会移动到大对象堆中；如果您可以获取包含托管对象的结构的大小，那么您可以非常轻松地编写此代码，并且不需要任何指针运算。但事实仍然是，sizeof 是专门为指针算术设计的，而不是让您可以围绕数组的垃圾收集启发式进行最终运行。

Answer 2

问题中有很多错误的假设，我将一一解决：

在 MyStruct 中，我们明确地强制布局

你没有。 [StructLayout] 属性只有在结构值被封送时才真正有效。 Marshal.StructureToPtr()，也被 pinvoke 编组器使用。只有这样您才能保证封送值具有请求的布局。 CLR 保留按其认为合适的方式布置结构的权利。它将对齐结构成员，以便使用该结构的代码尽可能快，并在必要时插入空字节。如果这样的填充字节留有足够的空间，那么它甚至会交换 成员以获得更小的布局。这是完全无法发现的，除非使用调试器查看访问结构成员的机器代码。 一些 [StructLayout] 属性确实 影响布局，LayoutKind.Explicit 实际上支持声明联合。映射算法的确切细节没有记录，可能会发生变化，并且很大程度上取决于目标机器架构。

结果是该类型变量中的总字节数，包括任何填充。

不是的，实际结构可以小于声明的结构。可以通过将成员交换到填充中来实现。

这个结构在内存中的大小应该是 1 字节。

这种情况很少见。局部变量也在内存中对齐，在 32 位处理器上为 4 个字节，在 64 位处理器上为 8 个字节。除非结构存储在数组中，否则它实际上会占用堆栈或堆上的对象内的 4 或 8 个字节。这种对齐很重要，原因与成员对齐很重要一样。

MyEmptyStruct 为空，我们可以假设内存中的大小为 0 字节

一个变量总是至少有 1 个字节，即使结构是空的。这避免了歧义，例如使用零字节的非空数组。还有其他语言的规则，比如 C++。

为什么在这种情况下使用 sizeof 被认为是不安全的

需要明确的是，从 .NET 2 开始，在原始值类型上使用 sizeof 不需要 unsafe。但对于结构，sizeof() 很可能直接用于寻址内存，例如，将其添加到 IntPtr。使用 sizeof() 是错误的选择，应该是 Marshal.SizeOf() 的相当大的风险。我猜想在结构上使用 sizeof() 的实用性太低了，因为结构应该总是很小，而且以错误方式入侵 IntPtrs 的几率非常高，以至于他们离开了它不安全 .