面试题：C#不安全代码在高性能计算与底层交互的极致应用

1. 使用C#不安全代码高效访问硬件寄存器并保证类型安全和代码稳定性

启用不安全代码：在C#项目属性中，勾选“允许不安全代码”选项，这样才能在代码中使用unsafe关键字。
定义指针类型：使用unsafe关键字定义包含指针的方法或代码块。例如，如果要访问一个32位的硬件寄存器，可以定义int*类型的指针。

unsafe void AccessHardwareRegister()
{
    int* registerAddress = (int*)0x12345678; // 假设硬件寄存器地址为0x12345678
    int value = *registerAddress; // 读取寄存器的值
    *registerAddress = 42; // 写入值到寄存器
}

类型安全措施：
- 边界检查：在访问指针所指向的内存时，确保访问的地址在合法范围内。例如，如果硬件寄存器映射到特定的内存区域，要检查指针是否在该区域内。
- 使用固定大小的缓冲区：如果需要从硬件寄存器读取或写入一系列数据，可以使用固定大小的缓冲区来避免内存越界。例如：

unsafe void ReadFromHardware(int* buffer, int length)
{
    for (int i = 0; i < length; i++)
    {
        buffer[i] = *(int*)(0x12345678 + i * sizeof(int)); // 假设寄存器地址从0x12345678开始
    }
}

- **使用结构体封装指针操作**：将指针操作封装在结构体中，通过结构体的属性和方法来控制对指针的访问，从而提高代码的可维护性和安全性。

unsafe struct HardwareRegister
{
    private int* registerAddress;
    public HardwareRegister(int address)
    {
        registerAddress = (int*)address;
    }
    public int Read()
    {
        return *registerAddress;
    }
    public void Write(int value)
    {
        *registerAddress = value;
    }
}

资源管理：确保在使用完指针后正确释放相关资源，避免内存泄漏。例如，如果使用了fixed关键字固定托管对象的内存地址，在操作完成后，内存会自动解除固定。

2. 多线程环境下指针操作与不安全代码的线程安全问题及解决方案

线程安全问题：
- 竞态条件：多个线程同时访问和修改硬件寄存器可能导致数据不一致。例如，线程A读取寄存器的值，线程B在A写入新值之前也读取了相同的值，然后A和B分别对该值进行不同的计算并写回，最终导致结果错误。
- 内存访问冲突：不同线程同时访问相同的指针指向的内存区域，可能导致内存损坏或程序崩溃。
解决方案：
- 锁机制：使用lock关键字来同步对硬件寄存器的访问。例如：

private static readonly object registerLock = new object();
unsafe void ThreadSafeAccessHardwareRegister()
{
    lock (registerLock)
    {
        int* registerAddress = (int*)0x12345678;
        int value = *registerAddress;
        *registerAddress = value + 1;
    }
}

- **使用线程本地存储（TLS）**：如果每个线程需要独立访问硬件寄存器的副本，可以使用线程本地存储。在C#中，可以使用`ThreadLocal<T>`类。例如：

private static readonly ThreadLocal<HardwareRegister> threadLocalRegister =
    new ThreadLocal<HardwareRegister>(() => new HardwareRegister(0x12345678));
unsafe void ThreadLocalAccessHardwareRegister()
{
    HardwareRegister register = threadLocalRegister.Value;
    int value = register.Read();
    register.Write(value + 1);
}

- **使用同步原语**：如`Semaphore`、`Mutex`等同步原语，来控制对共享资源（硬件寄存器）的访问。例如，使用`Semaphore`限制同时访问硬件寄存器的线程数量：

private static readonly Semaphore semaphore = new Semaphore(1, 1);
unsafe void SemaphoreAccessHardwareRegister()
{
    semaphore.WaitOne();
    try
    {
        int* registerAddress = (int*)0x12345678;
        int value = *registerAddress;
        *registerAddress = value + 1;
    }
    finally
    {
        semaphore.Release();
    }
}

面试题：C#不安全代码在高性能计算与底层交互的极致应用

知识考点

面试题答案

1. 使用C#不安全代码高效访问硬件寄存器并保证类型安全和代码稳定性

2. 多线程环境下指针操作与不安全代码的线程安全问题及解决方案