.NET CLR怎么保证执行正确的unsafe代码不挂掉?
首先，我们要明确“不安全代码”在 .NET 中的含义。通常，我们指的是使用 `unsafe` 关键字标记的代码块，允许我们进行指针运算、访问栈内存（如 `stackalloc`）、直接操作数组元素（不通过 bounds checking）等。这些操作直接触及了内存的底层，一旦处理不当，极易导致内存损坏、访问非法内存地址，进而引发程序崩溃（挂掉）。
CLR 保证执行正确的 unsafe 代码不挂掉，其核心在于安全沙箱（Security Sandbox）和托管执行（Managed Execution）的整体框架，并在不安全代码区域引入了额外的控制和约束。
1. 安全沙箱与托管内存管理的基础：
.NET 的核心优势在于其托管环境。CLR 负责管理应用程序的内存生命周期。这意味着，它内置了垃圾回收（Garbage Collection, GC）机制，自动分配和释放对象内存，防止内存泄漏。
CLR 还提供了强类型检查和边界检查。这意味着，在托管代码中，当你尝试访问数组越界或使用已释放的内存时，CLR 会捕获这些错误并抛出异常（如 `IndexOutOfRangeException`），而不是直接导致系统崩溃。
这是 CLR 运作的基石。 即使是 `unsafe` 代码，也必须运行在 CLR 的控制之下。CLR 确保所有代码，无论是否使用 `unsafe`，最终都是由 CLR 来加载、执行和管理的。
2. `unsafe` 关键字的引入：
`unsafe` 关键字并非允许开发者为所欲为。它本身就意味着你正在承担额外的责任，并且需要特别小心。
编译时限制： 包含 `unsafe` 代码的程序集，在编译时需要显式启用 `AllowUnsafeBlocks` 选项。这是一种“知情同意”机制，确保开发者清楚自己在做什么。
托管代码的“门缝”： `unsafe` 块就像是在托管环境的围墙上开了一个小门，允许你接触到一些“不那么安全”的底层能力，但这个门本身是受到 CLR 严格监督的。
3. 指针的安全性：
指针的生命周期： CLR 并不像 C/C++ 那样允许任意的指针转换和生命周期管理。在 `unsafe` 代码中，你使用的指针通常是指向托管堆上的对象（通过 `fixed` 语句固定），或者指向栈上的局部变量（通过 `stackalloc` 分配）。
`fixed` 语句的魔法： 这是 CLR 确保指针安全的关键机制之一。当你使用 `fixed` 语句来获取一个托管对象（如数组、字符串、结构体）的地址时，CLR 会做两件事：
防止 GC 移动： GC 在进行垃圾回收时，可能会为了优化内存碎片而移动托管堆上的对象。如果你的指针指向的对象被移动了，那么这个指针就会失效，导致访问错误。`fixed` 语句会“固定”该对象，告诉 GC 在 `fixed` 块执行期间不要移动它。
指针的有效性： `fixed` 语句会为你提供一个指向对象的有效地址。这个地址在 `fixed` 块结束时自动失效，从而避免了野指针问题。
栈指针 (`stackalloc`)： CLR 允许使用 `stackalloc` 在栈上分配内存，这比堆分配更快，但分配的内存一旦出了作用域就会被自动释放。CLR 确保 `stackalloc` 的使用不会破坏栈的完整性，并且生成的指针在作用域结束后是无效的。
4. 边界检查的“例外”：
在托管代码中，访问数组元素时，CLR 会进行边界检查。如果索引越界，会抛出 `IndexOutOfRangeException`。
在 `unsafe` 代码块中，如果你直接使用指针算术来访问数组元素，理论上可以绕过这个边界检查。例如，`int ptr = (int)arrayPtr + index; ptr = value;`
这是风险所在。 CLR 不会在 C 语法层面强制你进行指针访问的边界检查。如果你的 `unsafe` 代码逻辑有误，越界访问了内存，那么确实有可能导致程序挂掉。
CLR 的“保证”体现在： CLR 不会因为你使用了 `unsafe` 就自动给你添加边界检查。它信任你，让你可以直接操作，但这也意味着，确保指针指向的内存是有效的，并且在可访问范围内，完全是开发者的责任。一旦发生越界访问，CLR 能够检测到（通常是因为访问到了操作系统认为不属于当前进程的内存区域），并会终止进程，而不是允许它继续在错误的状态下运行。这种终止，从某种意义上说，是一种“保护”，阻止了更严重的系统级破坏。
5. 类型安全与验证：
尽管 `unsafe` 代码可以进行低级操作，但 CLR 的类型验证器（Verifier）仍然会发挥作用。它会确保你的指针类型、数据类型转换等基本操作在类型系统上是合法的。例如，你不能直接将一个指向 `int` 的指针当作指向 `string` 的指针来使用，除非经过明确的（尽管可能不安全的）转换。
JIT 编译与代码生成： 当 IL（中间语言）代码被即时（JIT）编译成本地机器代码时，CLR 的 JIT 编译器会生成相应的指令。对于 `unsafe` 代码，它会生成直接的内存访问指令（如 `MOV`、`ADD` 等），而不是托管的内存访问指令。
6. 栈溢出与堆溢出：
`unsafe` 代码，特别是涉及大量的指针操作或使用 `stackalloc` 时，仍然有可能导致栈溢出（Stack Overflow）。CLR 会监控栈的使用情况，一旦检测到栈空间耗尽，也会抛出 `StackOverflowException`，从而终止程序。
由于 `fixed` 语句的存在，托管堆上的对象本身不容易因为指针操作而“溢出”。但是，如果 `unsafe` 代码错误地计算了指针偏移，导致访问了非托管内存（例如，通过 P/Invoke 调用 Win32 API 分配的内存，或者共享内存），那么对这块内存的非法访问（写入越界等）才是最容易导致程序崩溃的。
总结一下，CLR 并不是“保证”你的 `unsafe` 代码永远不会挂掉，而是通过以下方式来“管理”它，使其在大多数情况下能够安全地执行，并在发生严重错误时及时止损：
隔离与限制： `unsafe` 代码只能在 `unsafe` 块内执行，且需要显式启用。
内存固定 (`fixed`)： 确保指向托管对象的指针在生命周期内有效，并防止 GC 干扰。
类型验证： 即使是低级操作，也必须符合 CLR 的类型系统规则。
显式责任： CLR 将指针操作的正确性（尤其是边界检查）的责任完全交给了开发者。
及时终止： 当发生无法恢复的内存访问错误（如非法地址访问）时，CLR 会终止进程，避免进一步的系统破坏。
所以，与其说 CLR “保证”不挂掉，不如说 CLR 提供了一个受控的环境，允许开发者在需要时使用低级功能，但开发者必须高度自律，确保自己的 `unsafe` 代码是正确且安全的。一旦开发者违反了底层内存访问的规则，程序挂掉的可能性就非常高，而 CLR 的“保证”更多地体现在它能够检测到这些错误并干净利落地终止进程，而不是让它在损坏的状态下继续运行。
网友意见
简短回答：
第一个reference是不是类似于Handle, 类似于一个地址的地址, 这样.NET CLR在GC的时候, 可以挪动那个对象, 同时修改reference指向地址里面保存的地址. 具体实现的时候是不是这样?
CLI VES规范里并没有要求具体实现采用什么方式实现managed pointer。具体到微软的CLR / CoreCLR的实现的话，普通的managed pointer是个直接指针，而不是“指针的指针”——后者叫做handle，这种方式实现的堆叫做handle-based heap。
关于CLR的对象模型的实现，以及与其它一些JVM实现之类的对比，请跳传送门：
为什么bs虚函数表的地址（int*）(&bs)与虚函数地址（int*）*(int*)(&bs) 不是同一个？ - RednaxelaFX 的回答这边的例子可以显示出direct-pointer-based heap与handle-based heap的差异。
显然，对于要支持对象移动的GC heap，handle-based heap更容易实现，但这样每次访问对象内容都要做双层解引用，性能（访问效率）比使用直接指针的方案要差。
CLR的managed pointer使用直接指针实现，而CLR的GC又可以移动对象，这就要求CLR能够准确跟踪所有managed pointer所在的位置，无论它是“栈上”的局部变量、堆里的字段还是从VM内部出发的引用，以保证CLR能够：
- 发现托管指针，通过其值来判断对象的生死
- 在活对象被移动之后，更新所有相关的托管指针的指向
于是CLR的GC默认的工作模式是“准确式GC”（precise GC，或者叫type-exact GC）。程序的元数据会准确指出栈上的变量和堆里对象的字段哪些是托管指针。相关讨论请跳传送门：
找出栈上的指针/引用CLR也有一种备用的“保守式GC”（conservative GC）模式，不要求程序对栈上的变量是否为托管指针提供准确的描述。这主要是在开发过程的早期使用的，而在实际发布的产品中并没有启用这种模式。
近期使用了这种模式的项目之一是LLILC，微软尝试给CoreCLR做的基于LLVM的新编译器。它为了早期开发方便而选择先抄个捷径，但这个决定似乎对后期开发带来了负面影响：
[八卦] LLILC项目貌似挂了… - 编程语言与高级语言虚拟机杂谈（仮） - 知乎专栏第二个是, 一个实现上没有错误的unsafe代码, .NET CLR是不是需要保证用的对象不被挪走?
CLR可以执行的托管代码（managed code）分为两类：
- verifiable code：普通的C#代码属于这类。代码的类型安全可以通过静态校验来保证。不可以使用裸指针。
- unverifiable code：也就是unsafe code。CLR无法通过静态校验来保证类型安全，程序员要自己保证写的代码的语义是正确的。在unverifiable code中可以使用裸指针（非托管指针），指针既可以指向C-style的非托管内存，也可以指向被pin住的托管堆中的对象。还可以调用非托管的函数指针（calli）。
注意：unverifiable code仍然是managed code。MSIL有专门的unsafe子集来表达unsafe语义。
上面描述的重点内容之一，是指向托管堆对象的unsafe code中的指针，只能指向被pin住的对象。这个“object pinning”语义在C#里是通过fixed关键字来表达的。
为了高效地支持unsafe code（以及诸如System.Runtime.InteropServices.GCHandle的功能），CLR的GC必须要直接支持object pinning——即便托管堆里有对象正在被pin住，GC也要可以正常执行。
反例是例如HotSpot JVM，它的GC们都不直接支持object pinning，因而在执行JNI的critical系API（要求暂时不移动某些对象）时不得不暂时禁止GC执行。这就可以很悲剧…
如果不使用GCHandle，CLR只保证对象在unsafe code里是被pin住的，所以如果故意在unsafe code里把指向被pin住的对象的指针传递给unmanaged code保存起来，然后managed code一侧离开unsafe code之后，unmanaged code还试图去使用之前存下来的指针，那语义就是没有保证的——对象可能已经被挪走了。
<-
@vczh的回答里提到的例子就是这种情况。要保证安全的话，最好是在传出指针给unmanaged code之前就在safe一侧创建合适的GCHandle把目标对象一直pin住，直到unmanaged code不再需要那个指针才撤销safe这边的GCHandle。
一、
1、实现上一般不是用地址的地址，一般用直接地址。
2、但是CLI应该没有要求用哪种形式，换言之用地址的地址实现也是可以的，但是考虑到效率问题一般都会用直接地址吧，毕竟只有GC的时候才需要修改。
3、GC回收的时候会合并内存，所以托管对象的地址会改变，与此同时引用会跟着改。
二、fixed不就是干这个的么？
R大说的是对的，一开始我没看到地址的地址，想当然的以为你问的是GC会不会移对象和更新地址，答案是是。
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