如何在 .NET Core 中分配连续和固定的内存

Question

我正在从事一个性能至关重要的物理模拟项目，我认为一个瓶颈是我的内存管理。目前，我有包含固定数量的刚体、粒子和力的缓冲对象。在模拟开始之前，所有物理实体都在其缓冲区中初始化。当需要一个实体时，选择第一个不活动的实体，否则，最旧的，当不再需要时，将其移到最后，因此活动实体都放在前面。

这是我正在使用的数据结构。

public sealed class Buffer<TValue> : IEnumerable<BufferElement<TValue>> where TValue : new()
{
    public Buffer(int capacity)
    {
        Count = 0;
        Capacity = capacity;
        Elements = new BufferElement<TValue>[capacity];

        for (var index = 0; index < Elements.Length; index++)
        {
            Elements[index] = new BufferElement<TValue>();
        }
    }

    public int Count { get; private set; }

    public int Capacity { get; private set; }

    private int ActiveCount { get; set; }

    private BufferElement<TValue>[] Elements { get; }

    public BufferElement<TValue> Activate()
    {
        if (Count == ActiveCount) Count = 0;

        var bufferElement = Elements[Count++];

        if (!bufferElement.Active)
        {
            bufferElement.Active = true;
            ActiveCount++;
        }

        return bufferElement;
    }

    public void Deactivate(BufferElement element)
    {
        if (!element.Active) return;

        element.Active = false;

        var lhs = element.Index;
        var rhs = --ActiveCount;

        Elements[lhs] = Elements[rhs];
        Elements[rhs] = element;

        Elements[lhs].Index = lhs;
        Elements[rhs].Index = rhs;
    }
}

在阅读了 .NET Core 如何处理数组之后，有两件事可能是个问题。第一个是每次访问数组中的元素时，它都会进行安全检查，第二个是GC可以将数组复制到一个新的内存地址。

如果可能，我希望所有包含物理实体的缓冲区不执行任何安全检查并固定在连续内存中。我相信这应该是可能的，因为每个缓冲区的大小是固定的，元素（刚体、粒子、力）的大小也是固定的。

在 C# 中管理内存的方法似乎有很多，我很难确定在这种情况下哪种方法适合我。

• Pointer
• Marshal
• Memory

现在，问题归结为三个部分：

1. 可以这样做吗？
2. 如果是这样，管理内存的最佳方法是什么？
3. 那么，正确的实现应该是什么样的？

Answer 1

首先，是的，可以做到。其次，最佳确实取决于，因为存在许多权衡，这很快就变成了有意见的帖子。第三，最简单的替代方法是使用 fixed 关键字在 unsafe 上下文中分配您的数组（此处既不对数组进行安全检查，也允许您使用 C 样式指针）并固定其地址，使其不会'不会改变，虽然使用Span 或Memory 可能更容易，但fixed 和unsafe 的低级方法在正确使用时可以产生更好的性能。查看this，它是官方文档，里面充满了简洁的示例。最后一个提示，尝试切换到struct，而不是如果可能，它们没有内存开销和更高的内存密度，产生更好的缓存访问时间，因为缓存中可以容纳更多。