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C# 7.3 - 구조체의 고정 크기를 갖는 fixed 배열 필드에 대한 직접 접근 가능

C# 7.3 (1) - 개선된 문법 4개(Support == and != for tuples, Ref Reassignment, Constraints, Stackalloc initializers)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11552

C# 7.3 (2) - 개선된 메서드 선택 규칙 3가지(Improved overload candidates)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11553

C# 7.3 (3) - 자동 구현 속성에 특성 적용 가능(Attribute on backing field)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11554

C# 7.3 (4) - 사용자 정의 타입에 fixed 적용 가능(Custom fixed)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11555

C# 7.3 (5) - 구조체의 고정 크기를 갖는 fixed 배열 필드에 대한 직접 접근 가능(Indexing movable fixed buffers)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11556

C# 7.3 (6) - blittable 제네릭 제약(blittable)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11558

C# 7.3 (7) - 초기화 식에서 변수 사용 가능(expression variables in initializers)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11560




fixed 예약어는 지난 글에서 설명한 내용에 따라,

C# 7.3 - 사용자 정의 타입에 fixed 적용 가능(Custom fixed)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11555

관리 힙에 놓인 객체를 이동하지 않도록 고정시키는데 사용할 수 있는가 하면, 또 다른 용도로 고정 크기(fixed size)를 갖는 배열을 정의하는 문법으로도 쓰입니다. 이번 글에서 사용하는 fixed는 그 2가지 경우를 모두 다루기 때문에 다소 혼란스러울 수 있습니다. 그러니까... 대충... 결론부터 내면 이런 식입니다.

fixed 배열 필드에 대한 인덱스 접근을 C# 7.2까지는 fixed 구문에서 사용해야 했는데 C# 7.3부터 fixed 구문이 필요 없도록 바뀌었다.




C#에서 배열은 "관리 힙"에 할당하도록 되어 있습니다. 그래서 값 형식인 구조체에 배열(및 참조 형식)이 정의되어 있으면,

struct StructType
{
    public int [] fields;
}

fields 배열을 가리키는 포인터만 스택에 있게 되고 배열의 내용 자체는 관리 힙에 할당이 됩니다. 이것이 문제가 되는 경우가 바로 C/C++ 모듈과의 interop을 할 때입니다. 예를 들어 C/C++에서 다음과 같은 식으로 구조체와 그것을 정의하는 함수를 정의한 경우,

// C/C++의 구조체
struct CppStructType
{
public:
    int fields[10];
    __int64 dummy[20];
};

__declspec(dllexport) void __stdcall ProcessItem(CppStructType *value)
{
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        value->fields[i] = (i + 1) * 2;
    }

    for (int i = 0; i < 20; i++)
    {
        value->dummy[i] = (i + 1) * 20;
    }
}

C#에서 위의 ProcessItem이라는 함수를 호출하기 위해 다음과 같은 식으로 구조체를 만들어 시도하려는 경우가 있습니다.

// C#의 struct
struct CSharpStructType
{
    public int[] fields;
    public long[] dummy;
}

static void Main(string[] args)
{
    CSharpStructType item = new CSharpStructType();
    item.fields = new int[10];
    item.dummy = new long[20];
}

물론, 당연히 이렇게 하면 안 됩니다. CSharpStructType은 다음과 같은 식으로 메모리를 소유하고 있기 때문입니다.

CSharpStructType 인스턴스
{
    // 관리 힙에 있는 fields를 가리키는 4 bytes (or 8 bytes in x64) 포인터 변수
    // 관리 힙에 있는 dummy를 가리키는 4 bytes (or 8 bytes in x64) 포인터 변수
}

// 관리 힙에 있는 fields
fields
{
    // sizeof(int) * 10 bytes
}

// 관리 힙에 있는 dummy
dummy
{
    // sizeof(long) * 20 bytes
}

따라서 C/C++의 ProcessItem은 겨우 8바이트(또는 16바이트)에 불과한 CSharpStructType 인스턴스를 다루게 되고 이로 인해 AV(Access Violation) 같은 오류가 발생하게 됩니다.




바로 이럴 때, CppStructType과 동일한 메모리를 확보할 수 있도록 지원하는 구문이 바로 fixed입니다.

unsafe struct CppStructType
{
    public fixed int fields[10];
    public fixed long dummy[20];
}

위와 같이 정의하고 CppStructType 인스턴스를 생성하면 다음과 같은 식으로 메모리가 할당이 됩니다.

CppStructType 인스턴스
{
    // sizeof(int) * 10 bytes
    // sizeof(long) * 20 bytes
}

이는 C/C++에서의 struct와 동일한 크기의 메모리 구조를 갖게 되므로 C#에서 다음과 같이 안전하게 호출할 수 있습니다.

using System;
using System.Runtime.InteropServices;

unsafe struct CppStructType
{
    public fixed int fields[10];
    public fixed long dummy[20];
}

class Program
{
    [DllImport("Win32Project1.dll", SetLastError = true)]
    internal static unsafe extern int ProcessItem(CppStructType* value);

    static unsafe void Main(string[] args)
    {
        CppStructType item = new CppStructType();

        CppStructType* ptItem = &item;
        ProcessItem(ptItem);

        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            Console.WriteLine(item.fields[i]);
        }

        Console.WriteLine();
        for (int i = 0; i < 20; i++)
        {
            Console.WriteLine(item.dummy[i]);
        }
    }
}




자... 이 정도면 fixed에 대한 사전 설명은 대충 끝이 났으니 이제 C# 7.3에서 추가된 부분을 살펴보겠습니다.

Indexing fixed fields should not require pinning regardless of the movable/unmovable context.
; https://github.com/dotnet/csharplang/blob/master/proposals/csharp-7.3/indexing-movable-fixed-fields.md

일단, C#에서는 fixed 고정 크기 배열을 소유한 구조체를 다음과 같이 메서드 내에서 사용할 수 있습니다.

static unsafe void Main(string[] args)
{
    CppStructType item = new CppStructType();
    item.fields[0] = 5;
    int n = item.fields[2];
}

위의 구조체는 (unmovable context의 하나인) 스택에 생성되어 있으므로 GC의 수행에 따라 메모리 이동이 발생하지 않습니다. 하지만, 다음과 같이 CppStructType을 참조 형식 내의 필드로 선언하는 경우에는 (달리 말해 movable context) 상황이 달라집니다.

using System;

unsafe struct CppStructType
{
    public fixed int fields[10];
    public fixed long dummy[20];
}

class UserType
{
    CppStructType _item; // 값 형식이지만,
                         // 참조 형식(class)의 필드로 정의되었으므로
                         // 관리 힙에 할당이 됨

    public UserType()
    {
        _item = new CppStructType();
    }

    public unsafe void ProcessItem()
    {
        // 컴파일 에러 - Error CS1666 You cannot use fixed size buffers contained in unfixed expressions. Try using the fixed statement.
        _item.fields[0] = 5;

        // 컴파일 에러 - Error CS1666 You cannot use fixed size buffers contained in unfixed expressions. Try using the fixed statement.
        int n = _item.fields[2];
    }
}

C# 7.2까지 fixed 배열의 인덱스 접근은 항상 비관리 포인터를 사용하도록 코드 생성이 되므로 그로 인해 위와 같은 movable context 하에서는 반드시 fixed를 이용해 다음과 같이 고정시킨 후 사용해야 했습니다.

public unsafe void ProcessItem()
{
    // fixed 배열 필드의 인덱스를 접근하기 위해 fixed 문에서 메모리를 고정한 후 사용
    // 왜냐하면 fixed 배열 필드의 인덱스 접근 코드가 비관리 포인터를 이용하는 방식이었기 때문에.
    fixed (int* ptr = _item.fields)
    {
        ptr[0] = 5;
        int n = ptr[2];
    }
}

하지만, 가만 보니 fixed 배열의 인덱스 접근에 비관리 포인터 대신 관리 포인터를 쓸 수 있었던 것입니다. 이를 감안해 C# 7.3부터 다음과 같이 fixed 없이 컴파일이 되도록 바뀌었습니다.

unsafe struct CppStructType
{
    public fixed int fields[10];
    public fixed long dummy[20];
}

class UserType
{
    CppStructType _item;

    public UserType()
    {
        _item = new CppStructType();
    }

    public unsafe void ProcessItem()
    {
        // C# 7.3부터 컴파일 가능
        _item.fields[0] = 5;

        // C# 7.3부터 컴파일 가능
        int n = _item.fields[2];

        // 하지만 (movable context에서) 포인터로써 접근하겠다고 하면 여전히 fixed가 필요.
        fixed (int* ptr = _item.fields)
        {
        }

        // 당연히 unmovable context에서는 포인터로써 접근해도 fixed가 필요치 않음.
        {
            CppStructType localItem;
            int* ptr = localItem.fields;
        }
    }
}

실제로 (C# 7.3부터) 위의 코드에서 사용된 인덱스 접근 코드는 다음의 IL 코드에서 보는 바와 같이 ldflda 코드로 해결하고 있습니다. 즉, 관리 포인터를 쓰는 것만으로 fixed 배열의 인덱싱이 가능했던 것입니다.

.method public hidebysig instance void ProcessItem() cil managed
{
    .maxstack 3
    .locals init (
        [0] int32 num)
    L_0000: nop 
    L_0001: ldarg.0 
    L_0002: ldflda valuetype CppStructType UserType::_item
    L_0007: ldflda valuetype CppStructType/<fields>e__FixedBuffer CppStructType::fields
    L_000c: ldflda int32 CppStructType/<fields>e__FixedBuffer::FixedElementField
    L_0011: ldc.i4.5 
    L_0012: stind.i4 
    L_0013: ldarg.0 
    L_0014: ldflda valuetype CppStructType UserType::_item
    L_0019: ldflda valuetype CppStructType/<fields>e__FixedBuffer CppStructType::fields
    L_001e: ldflda int32 CppStructType/<fields>e__FixedBuffer::FixedElementField
    L_0023: ldc.i4.2 
    L_0024: conv.i 
    L_0025: ldc.i4.4 
    L_0026: mul 
    L_0027: add 
    L_0028: ldind.i4 
    L_0029: stloc.0 
    L_002a: ret 
}

(첨부 파일은 이 글의 예제 코드 - C/C++, C# 프로젝트를 포함합니다.)




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[최초 등록일: ]
[최종 수정일: 7/13/2021]

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2019-06-18 03시17분
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