C#详解值类型和引用类型区别_HawkJony的博客-程序员信息网_值类型和引用类型区别

技术标签: C#  值类型  引用类型  内存部署  C# 基础  

首先,什么是值类型,什么是引用类型?

在C#中值类型的变量直接存储数据,而引用类型的变量持有的是数据的引用,数据存储在数据堆中。

值类型(value type):byte,short,int,long,float,double,decimal,char,bool 和 struct 统称为值类型。值类型变量声明后,不管是否已经赋值,编译器为其分配内存。


        引用类型(reference type):string 和 class统称为引用类型。当声明一个类时,只在栈中分配一小片内存用于容纳一个地址,而此时并没有为其分配堆上的内存空间。当使用 new 创建一个类的实例时,分配堆上的空间,并把堆上空间的地址保存到栈上分配的小片空间中。


值类型的实例通常是在线程栈上分配的(静态分配),但是在某些情形下可以存储在堆中。引用类型的对象总是在进程堆中分配(动态分配)。

        下面的例子说明值类型和引用类型的区别,代码如下:

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;

namespace Parameters
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Dowork();
        }

        static void Dowork()
        {
            int i = 0;  // int 是值类型
            Console.WriteLine(i);   // i = 0
            Pass.value(i);          // 值类型使用的是 i 的副本,i不变
            Console.WriteLine(i);   // i = 0

            WrappendInt wi = new WrappendInt(); // 创建类 WrappendInt 的另外一个实例
            Console.WriteLine(wi.Number);   // 0 // 被默认构造器初始化为 0
            Pass.Reference(wi);     // 调用方法,wi 和 param 将引用同一个对象
            Console.WriteLine(wi.Number);   // 42
        }
    }

    class Pass
    {
        public static void value(int param)
        {
            param = 42; // 赋值操作使用的是值类型参数的一个副本,原始参数不受影响
        }

        public static void Reference(WrappendInt param) // 创建类 WrappendInt 的一个实例
        {
            param.Number = 42;  // 此参数是引用类型的参数
        }
    }

    class WrappendInt   // 类是引用类型
    {
        public int Number;
    }
}

输出结果为:

0

0

0

42


从概念上看,值类型直接存储其值,而引用类型存储对其值的引用。这两种类型存储在内存的不同地方。在C#中,我们必须在设计类型的时候就决定类型实例的行为。这种决定非常重要,用《CLR via C#》作者Jeffrey Richter的话来说,“不理解引用类型和值类型区别的程序员将会给代码引入诡异的bug和性能问题(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.)”。这就要求我们正确理解和使用值类型和引用类型。

1. 通用类型系统

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。

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();

MSDN的这张图说明了CTS中各个类型是如何相关的。注意,类型的实例可以只是值类型或自描述类型,即使这些类型有子类别也是如此。

c#中引用类型和值类型的区别

2. 值类型

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)。

每种值类型均有一个隐式的默认构造函数来初始化该类型的默认值。例如:

int i = new int();

等价于:

Int32 i = new Int32();

等价于:

int i = 0;

等价于:

Int32 i = 0;

使用new运算符时,将调用特定类型的默认构造函数并对变量赋以默认值。在上例中,默认构造函数将值0赋给了i。MSDN上有完整的默认值表

所有的值类型都是密封(seal)的,所以无法派生出新的值类型。

值得注意的是,引 用类型和值类型都继承自System.Object类。不同的是,几乎所有的引用类型都直接从System.Object继承,而值类型则继承其子类,即 直接继承System.ValueType。System.ValueType直接派生于System.Object。即System.ValueType本身是一个类类型,而不是值类型。其关键在于ValueType重写了Equals()方法,从而对值类型按照实例的值来比较,而不是引用地址来比较。

可以用Type.IsValueType属性来判断一个类型是否为值类型:

TestType testType = new  TestType ();
if
  (testTypetype.GetType().IsValueType)
{
     Console.WriteLine(
"{0} is value type."
, testType.ToString());
}

3. 引用类型

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。

对于最后一条,经常混淆的是string。我曾经在一本书的一个早期版本上看到String变量比string变量效率高;我还经常听说String是引用类型,string是值类型,等等。例如:

string s1 = "Hello, " ;
string s2 = "world!"
;
string s3 = s1 + s2;//s3 is "Hello, world!"

这确实看起来像一个值类型的赋值。再如:

string s1 = "a" ;
string s2 = s1
;
s1
 = "b";//s2 is still "a"

改变s1的值对s2没有影响。这更使string看起来像值类型。实际上,这是运算符重载的结果,当s1被改变时,.NET在托管堆上为s1重新分配了内存。这样的目的,是为了将做为引用类型的string实现为通常语义下的字符串。

4. 值类型和引用类型在内存中的部署

经常听说,并且经常在书上看到:值类型部署在栈上,引用类型部署在托管堆上。实际上并没有这么简单。

MSDN上说:托管堆上部署了所有引用类型。这很容易理解。当创建一个应用类型变量时:

object reference = new object();

关键字new将在托管堆上分配内存空间,并返回一个该内存空间的地址。左边的reference位于栈上,是一个引用,存储着一个内存地址;而这个地址指向的内存(位于托管堆)里存储着其内容(一个System.Object的实例)。下面为了方便,简称引用类型部署在托管推上。

再来看值类型。《C#语言规范》上的措辞是“结构体不要求在堆上分配内存(However, unlike classes, structs are value types and do not require heap allocation)”而不是“结构体在栈上分配内存”。这不免容易让人感到困惑:值类型究竟部署在什么地方?

4.1 数组

考虑数组:

int[] reference = new int[100];

根据定义,数组都是引用类型,所以int数组当然是引用类型(即reference.GetType().IsValueType为false)。

而int数组的元素都是int,根据定义,int是值类型(即reference[i].GetType().IsValueType为true)。那么引用类型数组中的值类型元素究竟位于栈还是堆?

如果用WinDbg去看reference[i]在内存中的具体位置,就会发现它们并不在栈上,而是在托管堆上。

实际上,对于数组:

TestType[] testTypes = new TestType[100];

如果TestType是值类型,则会一次在托管堆上为100个值类型的元素分配存储空间,并自动初始化这100个元素,将这100个元素存储到这块内存里。

如果TestType是引用类型,则会先在托管堆为testTypes分配一次空间,并且这时不会自动初始化任何元素(即testTypes[i]均为null)。等到以后有代码初始化某个元素的时候,这个引用类型元素的存储空间才会被分配在托管堆上。

4.2 类型嵌套

更容易让人困惑的是引用类型包含值类型,以及值类型包含引用类型的情况:

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 void
  Method()
     {
         _referenceTypeField
 = new object
();
        
object referenceTypeLocalVariable = new object
();
     }
}
ValueTypeStruct valueTypeStructInstance
 = new
  ValueTypeStruct();
valueTypeStructInstance.Method();
//Where is _referenceTypeField?And where is referenceTypeLocalVariable?

单看valueTypeStructInstance,这是一个结构体实例,感觉似乎是整块扔到栈上的。但是字段_referenceTypeField是引用类型,局部变量referenceTypeLocalVarible也是引用类型。

referenceTypeClassInstance也有同样的问题,referenceTypeClassInstance本身是引用类型,似乎应该整块部署在托管堆上。但字段_valueTypeField是值类型,局部变量valueTypeLocalVariable也是值类型,它们究竟是在栈上还是在托管堆上?

规律是:

  • 引用类型部署在托管堆上;
  • 值类型总是分配在它声明的地方:作为字段时,跟随其所属的变量(实例)存储;作为局部变量时,存储在栈上。

我们来分析一下上面的代码。对于引用类型实例,即referenceTypeClassInstance:

  • 从上下文看,referenceTypeClassInstance是一个局部变量,所以部署在托管堆上,并被栈上的一个引用所持有;
  • 值类型字段_valueTypeField属于引用类型实例referenceTypeClassInstance的一部分,所以跟随引用类型实例referenceTypeClassInstance部署在托管堆上(有点类似于数组的情形);
  • valueTypeLocalVariable是值类型局部变量,所以部署在栈上。

而对于值类型实例,即valueTypeStruct:

  • 根据上下文,值类型实例valueTypeStructInstance本身是一个局部变量而不是字段,所以位于栈上;
  • 其引用类型字段_referenceTypeField不存在跟随的问题,必然部署在托管堆上,并被一个引用所持有(该引用是valueTypeStruct的一部分,位于栈);
  • 其引用类型局部变量referenceTypeLocalVariable显然部署在托管堆上,并被一个位于栈的引用所持有。

所以,简单地说“值类型存储在栈上,引用类型存储在托管堆上”是不对的。必须具体情况具体分析。


5. 辨明值类型和引用类型的使用场合


在C#中,我们用struct/class来声明一个类型为值类型/引用类型。考虑下面的例子:
SomeType[] oneTypes = new SomeType[100];
如 果SomeType是值类型,则只需要一次分配,大小为SomeType的100倍。而如果SomeType是引用类型,刚开始需要100次分配,分配后 数组的各元素值为null,然后再初始化100个元素,结果总共需要进行101次分配。这将消耗更多的时间,造成更多的内存碎片。所以,如果类型的职责主 要是存储数据,值类型比较合适。
一般来说,值类型(不支持多态)适合存储供 C#应用程序操作的数据,而引用类型(支持多态)应该用于定义应用程序的行为。通常我们创建的引用类型总是多于值类型。如果满足下面情况,那么我们就应该创建为值类型:
该类型的主要职责用于数据存储。 
该类型的共有接口完全由一些数据成员存取属性定义。 
该类型永远不可能有子类。 
该类型不具有多态行为。


5. 值类型和引用类型的区别(小结)


相同点:
引用类型可以实现接口,值类型当中的结构体也可以实现接口;
引用类型和值类型都继承自System.Object类。

1)范围方面
C#的值类型包括:结构体(数值类型、bool型、用户定义的结构体),枚举,可空类型。
C#的引用类型包括:数组,用户定义的类、接口、委托,object,字符串。

2)内存分配方面:

数组的元素不管是引用类型还是值类型,都存储在托管堆上。

引用类型在栈中存储一个引用,其实际的存储位置位于托管堆。简称引用类型部署在托管推上。而值类型总是分配在它声明的地方:作为字段时,跟随其所属的变量(实 例)存储;作为局部变量时,存储在栈上。(栈的内存是自动释放的,堆内存是.NET中会由GC来自动释放)

3)适用场合

值类型在内存管理方面具有更好的效率,并且不支持多态,适合用做存储数据的载体;引用类型支持多态,适合用于定义应用程序的行为。

  • 引用类型可以派生出新的类型,而值类型不能,因为所有的值类型都是密封(seal)的;
  • 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,如   int? a = null;  );
  • 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。


值得注意的是,引 用类型和值类型都继承自System.Object类。不同的是,几乎所有的引用类型都直接从System.Object继承,而值类型则继承其子类,即 直接继承System.ValueType。即System.ValueType本身是一个类类型,而不是值类型。其关键在于ValueType重写了Equals()方法,从而对值类型按照实例的值来比较,而不是引用地址来比较。




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