CLR-2-2-引用类型和值类型

引用类型和值类型，是一个老生常谈的问题了。装箱拆箱相信也是猿猿都知，但是还是跟着CLR via C#加深下印象，看有没有什么更加根本和以前被忽略的知识点。

 

引用类型：

引用类型有哪些这里不过多赘述，来关心一下它在计算机内部的实际操作，引用类型总是从托管堆分配，线程栈上存储的是指向堆上数据的引用地址，首先确立一下四个事实：

 内存必须从托管堆分配

 堆上分配成员时，CLR要求你必须有一些额外成员（比如同步块索引，类型对象指针）。这些成员必须初始化。

 对象中的其他字节总是设为零

 从托管堆上分配对象时，可能强制执行一次垃圾回收

所以引用类型对性能是有显著影响的。

 

值类型：

值类型是CLR提供的轻量级类型，它把实际的字段存储在线程栈上

值类型不受垃圾回收器的限制，所以它的存在缓解了托管堆的压力，也减少了垃圾回收的次数。

值类型都是派生自System.ValueType

所有值类型都是隐式密封的，目的是防止将值类型作为其他引用类型的基类

值类型初始化为空时，默认为0，它不像引用类型是指针，它不会抛出NullReferenceException异常，CLR还为值类型提供了可控类型。

 

误区防范：根据我自己的经验，要避免对引用类型值类型赋值的错误认识，我们先需要清楚，定义值类型，引用类型的底层实际操作，下面先根据流程图了解一下：

   

例子：

class SomeRef{public int x;}
struct SomeVal{public int x;}

staic void Test
{
SomeRef  r1=new SomeRef();
SomeVal v1 =new SomeVal();

r1.x=5;
v1.x=5;

SomeRef  r2=r1;
SomeVal v2 =v1;
r1.x=8;
v1.x=9;

string a="QWER";
string b=a;
a="TYUI";
}

这样类似的例子，相信只要讲到引用类型，值类型，就一定会见到，继续复习一下。

首先揭晓几轮复制后的结构：r1.x=8,r2.x=8 v1.x=9 v2.x=5 a="TYUI" b="QWER"

 

简单分析一下：

r1 ,r2在线程栈上存储的是同一个指向内存堆的地址，当r1值改变时，其实是直接改变内存堆里的内容，自然r1,r2全部变成了8。

而v1,v2是独立存储在线程栈上的，v1值改变时，只是单单改变v1线程栈里的值，自然v2=5,v1=9。

而a，b的值为什么不像上面r1.x一样变化呢，它们不是引用类型吗，这就需要去看看上面的流程图，因为你在给a改变赋值时，其实是在托管堆上开辟了一个新的空间，你传给a的是一个新的地址，而b还指向原来的老地址。

结合上面的三个图和示例，对于引用类型和值类型构建相信应该有一个清楚的理解了。

 

使用值类型的一些建议：

值类型相对于引用类型，性能上更有优势，但是考虑在业务上的问题，值类型一般需要满足下面的全部条件，才是适合定义为值类型：

 类型具有基元类型的行为。也就是说，是十分简单的类型，没有成员会修改类型的任何实例。如果类型没有提供会更改其他字段的成员，就称为不可变类型（immutable）。事实上，对于许多值类型，我们都建议将全部字段标记为readonly。

 类型不需要从其他类型继承

 类型不派生出其他类（隐式密封）。

类型大小也应考虑：

因为实参默认以传值方式传递，造成对值类型实例中的字段进行复制，如果值类型过于大会对性能造成损害。

同样，当顶一个值类型的方法返回时，实例中的字段会复制到调用者分配的内存，也可能造成性能的损害。

所以，必须满足以下任意条件：

 类型实例较小（16字节或更小）

 类型实例较大（大于16字节），但不作为方法实参传递，也不从方法传递

 

值类型的局限：

 值类型有两种形式：未装箱和已装箱，而引用类型一直是已装箱。

 值类型从System.ValueType派生，System.ValueType重写了Equals和GetHashCode方法。生成哈希码时，会将对象的实例字段的值考虑在内。所以定义自己的值类型时，因重写Equals和GetHashCode方法。

 值类型不能被继承，它自己的方法不能是抽象的，所有都是隐式密封的。

 值类型不在内存堆中分配，所以一个实例的方法不再活动时，分配给值类型的内存空间会被释放，而没有垃圾回收机制来处理它。

 

值类型的装箱拆箱：

例如，ArrayList不断的添加值类型进入数组时，就会发生不断的装箱操作，因为它的Add方法参数是object类型，自然装箱就不可避免，自然也会造成性能的损失(FCL现在提供了泛型集合类，System.Collection.Generic.List<T>,它不需要装箱拆箱操作。使得性能提升不少)。

装箱相关的含义相信不用过多解释，我们来关心一下，内存中的变化，看看它是如何对性能造成影响的。

 

装箱：

 在托管堆中分配内存。内存大小时值类型各字段所需的内存加上两个额外成员（托管堆所有对象都有）类型对象指针和同步块索引所需的内存量。

 值类型的字段值复制到堆内存的空间中。

 返回堆上对应的地址

然后，一个值类型就变成了引用类型。

 

拆箱：

 根据引用类型的地址找到堆内存上的值

 将值复制给值类型

拆箱的代价比装箱小得多

 

装箱拆箱注意点：

下面通过几个示例，来熟悉一下装箱拆箱的过程，并学会如何避免错误的判定装箱拆箱，CLR via C#这两个实例对装箱拆箱的理解非常有帮助：

    internal struct Point : IComparable
    {
        private Int32 m_x,m_y;
        public Point(int x,int y)
        {
            m_x = x;
            m_y = y;
        }

        public override string ToString()
        {
            return String.Format("({0},{1})", m_x.ToString(), m_y.ToString());
        }


        public int CompareTo(Point p)
        {
            return Math.Sign(Math.Sqrt(m_x * m_x + m_y * m_y) - Math.Sqrt(p.m_x * p.m_x + p.m_y * p.m_y));          
        }

        public int CompareTo(object obj)
        {
            if (GetType() != obj.GetType())
            {
                throw new ArgumentException("o is not a point");
            }
           return CompareTo((Point)obj);
        } 
    }

        static void Main(string[] args)
        {
            //在栈上创建两个实例
            Point p1 = new Point(10,10);
            Point p2 = new Point(10,20);

            //调用Tostring不装箱
            Console.WriteLine(p1.ToString());

            //调用非虚方法GetType装箱
            Console.WriteLine(p1.GetType());

            //调用CompareTo,不装箱
            Console.WriteLine(p1.CompareTo(p2));

            //p1装箱 
            IComparable C = p1;
            Console.WriteLine(C.GetType());

            //不装箱，调用的CompareTo（object）
            Console.WriteLine(p1.CompareTo(C));

             //不装箱，调用的CompareTo（object）
            Console.WriteLine(p1.CompareTo(p2));

            Console.ReadKey();
        }

1.调用ToString

不装箱，因为ToString是从ValueType继承的虚方法，中间没有类型转换的发生，不需要进行装箱，另外注意的是：Equals，GetHashCode,ToString都是从ValueTye继承的虚方法，由于值类型都是密封类，无法派生，所以只要你的值类型重写了这些方法，并没有去调用基类的实现，那么是不会发生装箱的，如果你去调用基类的实现，或者你没有实现这些方法，那么还是可能发生装箱。

2.调用GetType

GetType是继承自Object，并且不能被重写，所以无论如何值类型对其调用都会发生装箱，另外MemberwiseClone方法也是如此。

3.第一次调用CompareTo方法

 因为Point里面有了类型为Point的参数CompareTo方法，不会发生装箱操作

4.p1转换为ICompable

确认过眼神，这一定是一个装箱。

5.第二次调用CompareTo方法

虽然这次调用的是参数为object的方法，但是注意的是：首先我们Point实现了这个重载，另外传进去的是个ICompable，自然不会发生装箱（另外，如果Point本身没有这个方法呢？当然会装箱，因为它不得不去调用父类的方法，而父类是一个引用类型，自然需要进行一次装箱操作）

6.第三次调用CompareTo方法

c是ICompable，而ICompable在托管堆上也有对应的方法，也不会有装箱发生。

 internal struct point
  {
        private int m_x,m_y;
    
        pulic point(int x,int y)
      {
          m_x=x;
          m_y=y;
      }
 
     public void change(int x,int y)
    {
         m_x=x;
         m_y=y;
    } 
 
    public ovveride String ToString()
     {
         return String.Format("{0},{1}",m_x.ToString.m_y.ToString());
     } 
 
 }  

public static void Main()
{
  Point p = new Point(1,1);
  Console.WriteLine(p);

  p.Change(2,2);
  Console.WriteLine(p);

  Object o=p;
  Console.WriteLine(o);

  ((Point) o).Change(3,3);
  Console.WriteLine(o);
}

结果：当然是 （1,1）（2,2） （2,2） （2,2） 前面三次的结果很好理解，第四次为什么是（2,2），因为object没有change方法，它等拆箱拆到线程栈新的地址上，于是后面的操作则是在线程栈上进行，对o堆上的内容没有任何影响

     internale interface IChangeBoxedPoint
     {
          void Change(int x,int y);
     } 
   internal struct point
    {
          private int m_x,m_y;
      
          pulic point(int x,int y)
      {
           m_x=x;
           m_y=y;
       }
  
      public void change(int x,int y)
     {
          m_x=x;
          m_y=y;
     } 
  
     public ovveride String ToString()
      {
          return String.Format("{0},{1}",m_x.ToString.m_y.ToString());
      } 

  }  

public static void Main()
{
   Point p =new p(1,1);
   Console.WriteLine(p);
   
   p.Change(2,2);
   Console.WriteLine(p);
   
   Objec o =p;
   Console.WriteLine(o);
   
  ((Point) o).Change(3,3);
  Console.WriteLine(o);
  
  ((IChangeBoxedPoint) p).Change(4,4);
  Console.WriteLine(p);
  
  ((IChangeBoxedPoint) o).Change(5,5);
  Console.WriteLine(o);
}

结果：前面四次的结果应该是显而易见了，（1,1）（2,2） （2,2） （2,2），那么第五次呢，来简单分析一下p装箱为IChangeBoxedPoint,然后把堆上对应的p的m_x,m_y改为4,4，但是对p输出时堆上的内容不仅回收了，而且输出的是原来p线程栈上的内筒，仍然还是刚刚的（2,2）,第六步，o没有任何装箱拆箱操作，当然是预期的（5,5）