【读书笔记】.NET本质论第四章Programming with Type(Part One)

在上一章中主要探讨的是CTS中的类型，基本上是类型的“静态结构”，本章将主要涉及类型的运行时结构。你定义了一个类型，然后实例化它，那么它在内存中的布局到底是什么样子的呢？声明一个类型到底占多少内存？是分配在栈上还是堆上？这些都是本章需要讨论的话题。不过这一篇先说一些简单的问题。

一个类型的实例要么是一个对象，要么是一个值，这要看这个类型是如何定义的。一般来讲，自定义的类的实例都是对象，而所有直接或间接从System.ValueType类派生的类型却是值类型（在这里，请区分类与类型的区别）。

好，那我这样是不是可以定义一个值类型了呢：

public class MyValueType : ValueType
{
    //some code
}

嗯，这样竟然是不行的，C#编译器将会给出如下的错误（而且你发现没，在Vs里输入上面的代码时，输入ValueType的时候却没有智能感知，也没有代码着色）：

'MyValueType' cannot derive from special class 'System.ValueType'

哦，原来把System.ValueType当做一个特殊类处理了。

既然不能从System.ValueType继承，那我们有什么办法定义值类型啊：

public struct MyValueType
{

}

就这样，你的MyValueType就是一个值类型了，使用ILDasm看看：

.class public sequential ansi sealed beforefieldinit MyValueType
extends [mscorlib]System.ValueType
{
}

延伸阅读

也许你比较了上面的IL代码与一个普通的用class定义的类型的区别，除了MyValueType从System.ValueType继承，而通常定义的一个class从System.Object外，我们还发现一个sequential元数据，而在class的对应位置应该是一个auto元数据。这是什么意思呢？
实际上这属于CLR控制类型中字段布局的问题，你写一个类型，在写代码的时候，字段的排列肯定是有顺序的，那么CLR如何安排这些字段呢？有三种布局模式，实际上也是LayoutKind枚举的三个成员：

[Serializable, ComVisible(true)]
public enum LayoutKind
{
    //CLR自动控制内存布局
    Auto = 3,
    //使用偏移量在代码中显式控制布局
    Explicit = 2,
    //按照开发人员书写代码时的字段顺序控制
    Sequential = 0
}

如果使用class定义一个类型，C#编译器默认会使用LayoutKind.Auto，而如果定义一个struct，C#编译器默认会使用LayoutKind.Sequential。因为.NET中的struct的存在实际上是为了与哪些非托管代码交互的，这个时候就必须知道你的内存布局是个啥样子的，如果你使用Auto这种方式，那布局就是由CLR自动控制，你不知道CLR到底是如何自动的，也就无法交互了。不过，如果你确定你定义的这个struct不会与非托管代码交互，你也可以使用如下这样的代码覆盖C#编译器的默认设置了：

[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
public class MyObject
{

}
[StructLayout(LayoutKind.Auto)]
public struct MyValueType
{
}

下面是对应的IL代码：

.class public sequential ansi beforefieldinit MyObject
    extends [mscorlib]System.Object
{
}

.class public auto ansi sealed beforefieldinit MyValueType
    extends [mscorlib]System.ValueType
{
}

现在换了个儿，class的使用sequential，而struct使用auto（注意，LayoutKind和StructLayout都来自System.Runtime.InteropServices命名空间，请添加对应的using指令）。
CLR还允许你使用LayoutKind.Explicit配合FieldOffsetAttribute显式的指定每个字段的偏移（不过一般请不要这样做）。代码如下：

[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
public struct MyValueType
{
    [FieldOffset(0)]
    public int A;

    [FieldOffset(4)]
    public int B;
}

关于这个的更多示例可以参见MSDN

原来这个struct也是用.class元数据描述的，它还继承了System.ValueType。不过这个MyValueType却已经加上了sealed，这样你就不能再从MyValueType派生了。还有没有其他方法定义值类型呢？有，那就是枚举：

public enum Color
{
    Red,
    White,
    Black
}

再看看编译器为上面的代码做了些什么事情：

.class public auto ansi sealed Color
    extends [mscorlib]System.Enum
{
    .field public static literal valuetype Color Black = int32(2)
    .field public static literal valuetype Color Red = int32(0)
    .field public specialname rtspecialname int32 value__
    .field public static literal valuetype Color White = int32(1)
}

原来是定义了一个从System.Enum派生的类型啊，从System.Enum的代码我们可以看到，System.Enum是一个抽象类，但这个抽象类是从System.ValueType派生而来的。 所以枚举也是一个值类型。

值类型一定是分配在栈上么？

记得园子里也有相关的讨论。一般书上都讲值类型是分配在栈上的，而引用类型是分配在堆上的。不过这要看值类型的使用方式，如果值类型作为方法的局部变量或者方法的参数，那么值类型才分配在栈上，而如果值类型作为引用类型的字段，那么该值类型则分配在堆上：

public class MyObject
{
    //作为引用类型的字段使用，该值类型会分配在堆上
    private int _objectField;
    //valueParameter作为方法的参数分配在栈上
    public void Test(int valueParameter)
    {
        //作为方法的局部变量，分配在栈上
        int localVar = 5;
    }
}

那值类型里如果“有一个引用类型”，该引用类型也分配在栈上么？

实际上“有一个引用类型”这个说法本来就不正确，值类型里是指向这个引用类型实例的引用（指针），这个指针指向的是堆上的引用类型所在的内存区域。