C# 值类型与引用类型 (上)

Posted 2020-06-16

1. 主要内容

             类型的基本概念

             值类型深入

             引用类型深入

             值类型与引用类型的比较及应用

2. 基本概念

C#中，变量是值还是引用仅取决于其数据类型。

C#的基本数据类型都以平台无关的方式来定义，C#的预定义类型并没有内置于语言中，而是内置于.NET Framework中。.NET使用通用类型系统（CTS）定义了可以在中间语言（IL）中使用的预定义数据类型，所有面向.NET的语言都最终被编译为 IL，即编译为基于CTS类型的代码，

通用类型的系统的功能：

• 建立一个支持跨语言集成、类型安全和高性能代码执行的框架。
• 提供一个支持完整实现多种编程语言的面向对象的模型。
• 定义各语言必须遵守的规则，有助于确保用不同语言编写的对象能够交互作用。

 

               

例如，在C#中声明一个int变量时，声明的实际上是CTS中System.Int32的一个实例。这具有重要的意义：

• 确保IL上的强制类型安全；
• 实现了不同.NET语言的互操作性；
• 所有的数据类型都是对象。它们可以有方法，属性，等。例如：

int i; 
i = 1; 
string s; 
s = i.ToString();

 

CLR 支持两种类型：值类型和引用类型，

 

 

C#的所有值类型均隐式派生自System.ValueType：

• 结构体：struct（直接派生于System.ValueType）；
  • 数值类型：
    • 整 型：sbyte（System.SByte的别名），short（System.Int16），int（System.Int32），long （System.Int64），byte（System.Byte），ushort（System.UInt16），uint （System.UInt32），ulong（System.UInt64），char（System.Char）；
    • 浮点型：float（System.Single），double（System.Double）；
    • 用于财务计算的高精度decimal型：decimal（System.Decimal）。
  • bool型：bool（System.Boolean的别名）；
  • 用户定义的结构体（派生于System.ValueType）。
• 枚举：enum（派生于System.Enum）；
• 可空类型（派生于System.Nullable<T>泛型结构体，T?实际上是System.Nullable<T>的别名）。

值类型（Value Type），值类型实例通常分配在线程的堆栈（stack）上，并且不包含任何指向实例数据的指针，因为变量本身就包含了其实例数据

 

C#有以下一些引用类型：

• 数组（派生于System.Array）
• 用户用定义的以下类型：
  • 类：class（派生于System.Object）；
  • 接口：interface（接口不是一个“东西”，所以不存在派生于何处的问题。Anders在《C# Programming Language》中说，接口只是表示一种约定[contract]）；
  • 委托：delegate（派生于System.Delegate）。
• object（System.Object的别名）；
• 字符串：string（System.String的别名）。

可以看出：

• 引用类型与值类型相同的是，结构体也可以实现接口；
• 引用类型可以派生出新的类型，而值类型不能；
• 引用类型可以包含null值，值类型不能（可空类型功能允许将 null 赋给值类型）；
• 引用类型变量的赋值只复制对对象的引用，而不复制对象本身。而将一个值类型变量赋给另一个值类型变量时，将复制包含的值

2.1内存深入

2.2.1 内存机制

数据在内存中分配位置取决与该变量的数据类型，上图可知值类型分配在线程的堆栈上，引用类型则分配在托管堆上，由GC控制回收，以下代码和图演示了引用类型和值类型的区别：

private static class ReferenceVsValue { 
      // Reference type (because of ‘class‘) 
      private class SomeRef { public Int32 x; }

      // Value type (because of ‘struct‘) 
      private struct SomeVal { public Int32 x; }

      public static void Go() { 
         SomeRef r1 = new SomeRef();   //在堆上分配

         SomeVal v1 = new SomeVal();   // 在栈上分配 
         r1.x = 5;                     // 提领指针

         v1.x = 5;                     // 在栈修改 
         Console.WriteLine(r1.x);      // 显示”5”

         Console.WriteLine(v1.x);      //同样显示”5”  
         // 下图左半部分反映了执行以上代码之后的情形

         SomeRef r2 = r1;              //只复制引用(指针) 
         SomeVal v2 = v1;              // 在栈上分配并且复制成员 
         r1.x = 8;                     // r1.x和r2.x都会更改

         v1.x = 9;                     // 只是更改v1.x,不会更改v2.x 
         Console.WriteLine(r1.x);      // 显示 "8" 
         Console.WriteLine(r2.x);      // 显示 "8" 
         Console.WriteLine(v1.x);      // 显示 "9" 
         Console.WriteLine(v2.x);      // 显示 "5"  
         //右半部分反映了在执行所有代码之后的情况 
      } 
   } 
                                   图5-1       图解代码执行时的内存分配情况

 

SomeVal是用Struct来声明的，而不是用常用的Class，在C#中用Struct声明的是值类型，每个变量或者程序都有自己的堆栈，不同的变量不能公用一个内存地址因此上图中SomeRef和SomeVal一定占用了不同的堆栈，变量经过传递后，对v1变量改变时，显然不会影响到v2的数据，可以看出，堆栈中的v1,v2包含其实际数据，而r1,r2则在堆栈中保存了其实例数据的引用地址，实际的数据保存在托管堆中，因此就有可能不同变量保存了 同一地址的数据引用，当从一个引用类型变量传递到另外一个相同的引用类型变量时，传递的是引用地址而不是实际的数据，所以改变一个变量的值会影响到另外一个变量的值，值类型与引用类型在内存中的分配是决定其应用不同的根本原因，由此可以容易的解释为什么传递参数的时候，按值传递不会改变形参的值，而按地址传递会改变形参的值。

内存分配的几点：

• 值类型变量做为局部变量时，该实例将被创建在堆栈上；而如果值类型变量作为类型的成员变量时，它将作为类型实例数据的一部分，同该类型的其他字段都保存在托管堆上，将在接下来的嵌套结构部分来详细说明问题。

• 引用类型变量数据保存在托管堆上，但是根据实例的大小有所区别，如下：如果实例的大小小于85000Byte时，则该实例将创建在GC堆上；而当实例大小大于等于85000byte时，则该实例创建在LOH（Large Object Heap）堆上。

2.2.2嵌套类型

嵌套结构就是在值类型中嵌套定义了引用类型，或者在引用类型变量中嵌套定义了值类型

• 引用类型嵌套值类型

public class NestedValueinRef 
{ 
//aInt做为引用类型的一部分将分配在托管堆上 
private int aInt; 
public NestedValueinRef 
{ 
//aChar则分配在该段代码的线程栈上 
char achar = ‘a‘; 
} 
}                                      图5-2 内存分配图可以表示为：

      

 

• 值类型嵌套引用类型

            引用类型嵌套在值类型时，内存的分配情况为：该引用类型将作为值类型的成员变量，堆栈上将保存该成员的引用，而成员的实际数据还是保存在托管堆中.

              public struct NestedRefinValue 
                  { 
                          public MyClass myClass; 
                          public NestedRefinValue 
                      { 
                                myClass.X = 1; 
                                myClass.Y = 2; 
                      } 
                  }

                                    图5-3 内存分配图可以表示为: