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轉(zhuǎn)自：yandixin.cnblogs.com 這篇文章是我?guī)讉€(gè)月前寫的，今天進(jìn)行了比較大的修訂，重新發(fā)了出來，希望和大家共同探討，并在此感謝Anytao的討論和幫助。 從概念上看，值類型直接存儲(chǔ)其值，而引用類型存儲(chǔ)對(duì)其值的引用。這兩種類型存儲(chǔ)在內(nèi)存的不同地方。在C#中，我們必須在設(shè)計(jì)類型的時(shí)候就決定類型實(shí)例的行為。這種決定非常重要，用《CLR via C#》作者Jeffrey Richter的話來 說，“不理解引用類型和值類型區(qū)別的程序員將會(huì)給代碼引入詭異的bug和性能問題（I believe that a developer who misunderstands the difference between reference types and value types will introduce subtle bugs and performance issues into their code.）”。這就要求我們正確理解和使用值類型和引用類型。 1. 通用類型系統(tǒng)C#中，變量是值還是引用僅取決于其數(shù)據(jù)類型。 C#的基本數(shù)據(jù)類型都以平臺(tái)無關(guān)的方式來定義。C#的預(yù)定義類型并沒有內(nèi)置于語言中，而是內(nèi)置于.NET Framework中。.NET使用通用類型系統(tǒng)（CTS）定義了可以在中間語言（IL）中使用的預(yù)定義數(shù)據(jù)類型，所有面向.NET的語言都最終被編譯為 IL，即編譯為基于CTS類型的代碼。 例如，在C#中聲明一個(gè)int變量時(shí)，聲明的實(shí)際上是CTS中System.Int32的一個(gè)實(shí)例。這具有重要的意義：
int i; i = 1; string s; s = i.ToString(); MSDN的這張圖說明了CTS中各個(gè)類型是如何相關(guān)的。注意，類型的實(shí)例可以只是值類型或自描述類型，即使這些類型有子類別也是如此。  2. 值類型C#的所有值類型均隱式派生自System.ValueType：
每種值類型均有一個(gè)隱式的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)來初始化該類型的默認(rèn)值。例如： int i = new int(); 等價(jià)于： Int32 i = new Int32(); 等價(jià)于： int i = 0; 等價(jià)于： Int32 i = 0; 使用new運(yùn)算符時(shí)，將調(diào)用特定類型的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)并對(duì)變量賦以默認(rèn)值。在上例中，默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)將值0賦給了i。MSDN上有完整的默認(rèn)值表。 關(guān)于int和Int32的細(xì)節(jié)，在我的另一篇文章中有詳細(xì)解釋：《理解C#中的System.Int32和int》。 所有的值類型都是密封（seal）的，所以無法派生出新的值類型。 值得注意的是，System.ValueType直接派生于System.Object。即System.ValueType本身是一個(gè)類類型，而 不是值類型。其關(guān)鍵在于ValueType重寫了Equals()方法，從而對(duì)值類型按照實(shí)例的值來比較，而不是引用地址來比較。 可以用Type.IsValueType屬性來判斷一個(gè)類型是否為值類型： TestType testType = new TestType (); if (testTypetype.GetType().IsValueType) { Console.WriteLine("{0} is value type.", testType.ToString()); } 3. 引用類型C#有以下一些引用類型：
可以看出：
對(duì)于最后一條，經(jīng)?；煜氖莝tring。我曾經(jīng)在一本書的一個(gè)早期版本上看到String變量比string變量效率高；我還經(jīng)常聽說String是引用類型，string是值類型，等等。例如： string s1 = "Hello, "; string s2 = "world!"; string s3 = s1 + s2;//s3 is "Hello, world!" 這確實(shí)看起來像一個(gè)值類型的賦值。再如： string s1 = "a"; string s2 = s1; s1 = "b";//s2 is still "a" 改變s1的值對(duì)s2沒有影響。這更使string看起來像值類型。實(shí)際上，這是運(yùn)算符重載的結(jié)果，當(dāng)s1被改變時(shí)，.NET在托管堆上為s1重新分配了內(nèi)存。這樣的目的，是為了將做為引用類型的string實(shí)現(xiàn)為通常語義下的字符串。 4. 值類型和引用類型在內(nèi)存中的部署經(jīng)常聽說，并且經(jīng)常在書上看到：值類型部署在棧上，引用類型部署在托管堆上。實(shí)際上并沒有這么簡單。 MSDN上說：托管堆上部署了所有引用類型。這很容易理解。當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)用類型變量時(shí)： object reference = new object(); 關(guān)鍵字new將在托管堆上分配內(nèi)存空間，并返回一個(gè)該內(nèi)存空間的地址。左邊的reference位于棧上，是一個(gè)引用，存儲(chǔ)著一個(gè)內(nèi)存地址；而這個(gè) 地址指向的內(nèi)存（位于托管堆）里存儲(chǔ)著其內(nèi)容（一個(gè)System.Object的實(shí)例）。下面為了方便，簡稱引用類型部署在托管推上。 再來看值類型。《C#語言規(guī)范》 上的措辭是“結(jié)構(gòu)體不要求在堆上分配內(nèi)存（However, unlike classes, structs are value types and do not require heap allocation）”而不是“結(jié)構(gòu)體在棧上分配內(nèi)存”。這不免容易讓人感到困惑：值類型究竟部署在什么地方？ 4.1 數(shù)組考慮數(shù)組： int[] reference = new int[100]; 根據(jù)定義，數(shù)組都是引用類型，所以int數(shù)組當(dāng)然是引用類型（即reference.GetType().IsValueType為false）。 而int數(shù)組的元素都是int，根據(jù)定義，int是值類型（即reference[i].GetType().IsValueType為true）。那么引用類型數(shù)組中的值類型元素究竟位于棧還是堆？ 如果用WinDbg去看reference[i]在內(nèi)存中的具體位置，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們并不在棧上，而是在托管堆上。 實(shí)際上，對(duì)于數(shù)組： TestType[] testTypes = new TestType[100]; 如果TestType是值類型，則會(huì)一次在托管堆上為100個(gè)值類型的元素分配存儲(chǔ)空間，并自動(dòng)初始化這100個(gè)元素，將這100個(gè)元素存儲(chǔ)到這塊內(nèi)存里。 如果TestType是引用類型，則會(huì)先在托管堆為testTypes分配一次空間，并且這時(shí)不會(huì)自動(dòng)初始化任何元素（即testTypes[i]均為null）。等到以后有代碼初始化某個(gè)元素的時(shí)候，這個(gè)引用類型元素的存儲(chǔ)空間才會(huì)被分配在托管堆上。 4.2 類型嵌套更容易讓人困惑的是引用類型包含值類型，以及值類型包含引用類型的情況： public class ReferenceTypeClass { private int _valueTypeField; public ReferenceTypeClass() { _valueTypeField = 0; } public void Method() { int valueTypeLocalVariable = 0; } } ReferenceTypeClass referenceTypeClassInstance = new ReferenceTypeClass();//Where is _valueTypeField? referenceTypeClassInstance.Method();//Where is valueTypeLocalVariable? public struct ValueTypeStruct { private object _referenceTypeField; public ValueTypeStruct() { _referenceTypeField = new object(); } public void Method() { object referenceTypeLocalVariable = new object(); } } ValueTypeStruct valueTypeStructInstance = new ValueTypeStruct();//Where is _referenceTypeField？ valueTypeStructInstance.Method();//Where is referenceTypeLocalVariable? 單看valueTypeStructInstance，這是一個(gè)結(jié)構(gòu)體實(shí)例，感覺似乎是整塊扔到棧上的。但是字段_referenceTypeField是引用類型，局部變量referenceTypeLocalVarible也是引用類型。 referenceTypeClassInstance也有同樣的問題，referenceTypeClassInstance本身是引用類型，似 乎應(yīng)該整塊部署在托管堆上。但字段_valueTypeField是值類型，局部變量valueTypeLocalVariable也是值類型，它們究竟 是在棧上還是在托管堆上？ 規(guī)律是：
我們來分析一下上面的代碼。對(duì)于引用類型實(shí)例，即referenceTypeClassInstance：
而對(duì)于值類型實(shí)例，即valueTypeStruct：
所以，簡單地說“值類型存儲(chǔ)在棧上，引用類型存儲(chǔ)在托管堆上”是不對(duì)的。必須具體情況具體分析。 5. 正確使用值類型和引用類型這一部分主要參考《Effective C#》，并非本人原創(chuàng)，希望能讓你加深對(duì)值類型和引用類型的理解。 5.1 辨明值類型和引用類型的使用場(chǎng)合C#中，我們用struct/class來聲明一個(gè)類型為值類型/引用類型。 考慮下面的例子： TestType[] testTypes = new TestType[100]; 如果TestTye是值類型，則只需要一次分配，大小為TestTye的100倍。而如果TestTye是引用類型，剛開始需要100次分配，分配 后數(shù)組的各元素值為null，然后再初始化100個(gè)元素，結(jié)果總共需要進(jìn)行101次分配。這將消耗更多的時(shí)間，造成更多的內(nèi)存碎片。所以，如果類型的職責(zé) 主要是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，值類型比較合適。 一般來說，值類型（不支持多態(tài)）適合存儲(chǔ)供 C#應(yīng)用程序操作的數(shù)據(jù)，而引用類型（支持多態(tài)）應(yīng)該用于定義應(yīng)用程序的行為。 通常我們創(chuàng)建的引用類型總是多于值類型。如果以下問題的回答都為yes，那么我們就應(yīng)該創(chuàng)建為值類型：
5.2 將值類型盡可能實(shí)現(xiàn)為具有常量性和原子性的類型具有常量性的類型很簡單：
具有原子性的類型都是單一的實(shí)體，我們通常會(huì)直接替換一個(gè)原子類型的整個(gè)內(nèi)容。 下面是一個(gè)典型的可變類型： public struct Address { private string _city; private string _province; private int _zipCode; public string City { get { return _city; } set { _city = value; } } public string Province { get { return _province; } set { ValidateProvince(value); _province = value; } } public int ZipCode { get { return _zipCode; } set { ValidateZipCode(value); _zipCode = value; } } } 下面創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例： Address address = new Address(); address.City = "Chengdu"; address.Province = "Sichuan"; address.ZipCode = 610000; 然后更改這個(gè)實(shí)例： address.City = "Nanjing"; //Now Province and ZipCode are invalid address.ZipCode = 210000; //Now Province is still invalid address.Province = "Jiangsu"; 可見，內(nèi)部狀態(tài)的改變意味著可能違反對(duì)象的不變式（invariant），至少是臨時(shí)的違反。如果上面是一個(gè)多線程的程序，那么在 City更改的過程中，另一個(gè)線程可能看到不一致的數(shù)據(jù)視圖。如果不是多線程的程序，也有問題：
顯然，這是一個(gè)相當(dāng)可觀的工作量。下面我們把Address實(shí)現(xiàn)為常量類型： public struct Address { private string _city; private string _province; private int _zipCode; public Address (string city, string province, int zipCode) { _city = city; _province = province; _zipCode = zipCode; ValidateProvince(province); ValidateZipCode(zipCode); } public string City { get { return _city; } } public string Province { get { return _province; } } public int ZipCode { get { return _zipCode; } } } 如果要改變Address，不能修改現(xiàn)有的實(shí)例，只能創(chuàng)建一個(gè)新的實(shí)例： Address address = new Address("Chengdu", "Sichuan", 610000);//create a instance address = new Address("Nanjing", "Jiangsu", 210000);//modify the instance address將不存在任何無效的臨時(shí)狀態(tài)。那些臨時(shí)狀態(tài)只存在于Address的構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行過程中。這樣一來，Address是異常安全的，也是線程安全的。 5.3 確保0為值類型的有效狀態(tài).NET的默認(rèn)初始化機(jī)制會(huì)將引用類型設(shè)置為二進(jìn)制意義上的0，即null。而對(duì)于值類型，不論我們是否提供構(gòu)造函數(shù)，都會(huì)有一個(gè)默認(rèn)的構(gòu)造函數(shù)，將其設(shè)置為0。 一種典型的情況是枚舉： public enum Sex { Male = 1; Female = 2; } 然后用做值類型的成員： public struct Employee { private Sex _sex; //other } 創(chuàng)建Employee結(jié)構(gòu)體將得到一個(gè)無效的Sex字段： Employee employee = new Employee (); employee的_sex是無效的，因?yàn)槠錇?。我們應(yīng)該將0作為一個(gè)為初始化的值明確表示出來： public Sex { None = 0; Male = 1; Female = 2; } 如果值類型中包含引用類型，會(huì)出現(xiàn)另一種初始化問題： public struct ErrorLog { private string _message; //other } 然后創(chuàng)建一個(gè)ErrorLog： ErrorLog errorLog = new ErrorLog (); errorLog的_message字段將是一個(gè)空引用。我們應(yīng)該通過一個(gè)屬性來將_message暴露給客戶代碼，從而使該問題限定在ErrorLog 的內(nèi)部： public struct ErrorLog { private string _message; public string Message { get { return (_message ! = null) ? _message : string.Empty; } set { _message = value; } } //other } 5.4 盡量減少裝箱和拆箱裝箱指把一個(gè)值類型放入一個(gè)未具名類型的引用類型中，比如： int valueType = 0; object referenceType = i;//boxing 拆箱則是從前面的裝箱對(duì)象中取出值類型： object referenceType; int valueType = (int)referenceType;//unboxing 裝箱和拆箱是比較耗費(fèi)性能的，還會(huì)引入一些詭異的bug，我們應(yīng)當(dāng)避免裝箱和拆箱。 裝箱和拆箱最大的問題是會(huì)自動(dòng)發(fā)生。比如： Console.WriteLine("A few numbers: {0}, {1}.", 25, 32); 其中，Console.WriteLine()接收的參數(shù)類型是(string，object，object)。因此，實(shí)際上會(huì)執(zhí)行以下操作： int i = 25; obeject o = i;//boxing 然后把o傳給WriteLine()方法。在WriteLine()方法的內(nèi)部，為了調(diào)用i上的ToString()方法，又會(huì)執(zhí)行： int i = (int)o;//unboxing string output = i,ToString(); 所以正確的做法應(yīng)該是： Console.WriteLine("A few numbers: {0}, {1}.", 25.ToString(), 32.ToString()); 25.ToString()只是執(zhí)行一個(gè)方法并返回一個(gè)引用類型，不存在裝箱/拆箱的問題。 另一個(gè)典型的例子是ArryList的使用： public struct Employee { private string _name; public Employee(string name) { _name = name; } public string Name { get { return _name; } set { _name = value; } } public override string ToString() { return _name; } } ArrayList employees = new ArrayList(); employees.Add(new Employee("Old Name"));//boxing Employee ceo = (Employee)employees[0];//unboxing ceo.Name = "New Name";//employees[0].ToString() is still "Old Name" 上面的代碼不僅存在性能的問題，還容易導(dǎo)致錯(cuò)誤發(fā)生。 在這種情況下，更好的做法是使用泛型集合： List<Employee> employees = new List<Employee>(); 由于List<T>是強(qiáng)類型的集合，employees.Add()方法不進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換，所以不存在裝箱/拆箱的問題。 6. 總結(jié)C#中，變量是值還是引用僅取決于其數(shù)據(jù)類型。 C#的值類型包括：結(jié)構(gòu)體（數(shù)值類型，bool型，用戶定義的結(jié)構(gòu)體），枚舉，可空類型。 C#的引用類型包括：數(shù)組，用戶定義的類、接口、委托，object，字符串。 數(shù)組的元素，不管是引用類型還是值類型，都存儲(chǔ)在托管堆上。 引用類型在棧中存儲(chǔ)一個(gè)引用，其實(shí)際的存儲(chǔ)位置位于托管堆。為了方便，本文簡稱引用類型部署在托管推上。 值類型總是分配在它聲明的地方：作為字段時(shí)，跟隨其所屬的變量（實(shí)例）存儲(chǔ)；作為局部變量時(shí)，存儲(chǔ)在棧上。 值類型在內(nèi)存管理方面具有更好的效率，并且不支持多態(tài)，適合用作存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的載體；引用類型支持多態(tài)，適合用于定義應(yīng)用程序的行為。 應(yīng)該盡可能地將值類型實(shí)現(xiàn)為具有常量性和原子性的類型。 應(yīng)該盡可能地確保0為值類型的有效狀態(tài)。 應(yīng)該盡可能地減少裝箱和拆箱。 7. 參考 |
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