C#引用類型詳細剖析
C#引用類型和值類型的區別——值類型和引用類型在內存中的部署
經常聽說，并且經常在書上看到：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。當創建一個應用類型變量時：
- object reference = new object();
關鍵字new將在托管堆上分配內存空間，并返回一個該內存空間的地址。左邊的reference位于棧上，是一個引用，存儲著一個內存地址；而這個地址指向的內存（位于托管堆）里存儲著其內容（一個System.Object的實例）。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#語言規范》上的措辭是“結構體不要求在堆上分配內存（However, unlike classes, structs are value types and do not require heap allocation）”而不是“結構體在棧上分配內存”。這不免容易讓人感到困惑：值類型究竟部署在什么地方？
數組
考慮數組：
- int[] reference = new int[100];
根據定義，數組都是引用類型，所以int數組當然是引用類型（即reference.GetType().IsValueType為false）。
而int數組的元素都是int，根據定義，int是值類型（即reference[i].GetType().IsValueType為true）。那么引用類型數組中的值類型元素究竟位于棧還是堆？
如果用WinDbg去看reference[i]在內存中的具體位置，就會發現它們并不在棧上，而是在托管堆上。
實際上，對于數組：
- TestType[] testTypes = new TestType[100];
如果TestType是值類型，則會一次在托管堆上為100個值類型的元素分配存儲空間，并自動初始化這100個元素，將這100個元素存儲到這塊內存里。
如果TestType是引用類型，則會先在托管堆為testTypes分配一次空間，并且這時不會自動初始化任何元素（即testTypes[i]均為null）。等到以后有代碼初始化某個元素的時候，這個引用類型元素的存儲空間才會被分配在托管堆上。
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 void Method()
- {
- _referenceTypeField = new object();
- object referenceTypeLocalVariable = new object();
- }
- }
- ValueTypeStruct valueTypeStructInstance = new ValueTypeStruct();
- valueTypeStructInstance.Method();//Where is _referenceTypeField？And where is referenceTypeLocalVariable?
單看valueTypeStructInstance，這是一個結構體實例，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？
規律是：
引用類型部署在托管堆上； 值類型總是分配在它聲明的地方：作為字段時，跟隨其所屬的變量（實例）存儲；作為局部變量時，存儲在棧上。 我們來分析一下上面的代碼。
對于引用類型實例，即referenceTypeClassInstance：
從上下文看，referenceTypeClassInstance是一個局部變量，所以部署在托管堆上，并被棧上的一個引用所持有； 值類型字段_valueTypeField屬于引用類型實例referenceTypeClassInstance的一部分，所以跟隨引用類型實例referenceTypeClassInstance部署在托管堆上（有點類似于數組的情形）；
valueTypeLocalVariable是值類型局部變量，所以部署在棧上。
而對于值類型實例，即valueTypeStruct：
根據上下文，值類型實例valueTypeStructInstance本身是一個局部變量而不是字段，所以位于棧上； 其引用類型字段_referenceTypeField不存在跟隨的問題，必然部署在托管堆上，并被一個引用所持有（該引用是valueTypeStruct的一部分，位于棧）； 其引用類型局部變量referenceTypeLocalVariable顯然部署在托管堆上，并被一個位于棧的引用所持有。 所以，簡單地說“值類型存儲在棧上，引用類型存儲在托管堆上”是不對的。必須具體情況具體分析。
C#引用類型和值類型的區別——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，希望能讓你加深對值類型和引用類型的理解。辨明值類型和引用類型的使用場合C#中，我們用struct/class來聲明一個類型為值類型/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，分配后數組的各元素值為null，然后再初始化100個元素，結果總共需要進行101次分配。這將消耗更多的時間，造成更多的內存碎片。所以，如果類型的職責主要是存儲數據，值類型比較合適。
一般來說，值類型（不支持多態）適合存儲供 C#應用程序操作的數據，而引用類型（支持多態）應該用于定義應用程序的行為。
通常我們創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，那么我們就應該創建為值類型：
該類型的主要職責是否用于數據存儲？ 該類型的共有借口是否完全由一些數據成員存取屬性定義？ 是否確信該類型永遠不可能有子類？ 是否確信該類型永遠不可能具有多態行為？ 將值類型盡可能實現為具有常量性和原子性的類型
具有常量性的類型很簡單：
如果構造的時候驗證了參數的有效性，之后就一直有效； 省去了許多錯誤檢查，因為禁止更改； 確保線程安全，因為多個reader訪問到同樣的內容； 可以安全地暴露給外界，因為調用者不能更改對象的內部狀態。 具有原子性的類型都是單一的實體，我們通常會直接替換一個原子類型的整個內容。
下面是一個典型的可變類型：
- 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;
- }
- }
- }
下面創建一個實例：
- Address address = new Address();
- address.City = "Chengdu";
- address.Province = "Sichuan";
- address.ZipCode = 610000;
然后更改這個實例：
- address.City = "Nanjing"; //Now Province and ZipCode are invalid
- address.ZipCode = 210000; //Now Province is still invalid
- address.Province = "Jiangsu";
可見，內部狀態的改變意味著可能違反對象的不變式（invariant），至少是臨時的違反。如果上面是一個多線程的程序，那么在 City更改的過程中，另一個線程可能看到不一致的數據視圖。如果不是多線程的程序，也有問題：
當ZipCode的值無效而拋出異常時，對象僅作了一部分改變，因此處于無效的狀態，為了修復這個問題，需要在Address中添加相當多的內部校驗代碼；
為了實現異常安全，我們需要在所有改變多個字段的客戶代碼處放上防御性的代碼；
線程安全也要求我們在每一個屬性的訪問器上添加線程同步檢查。
顯然，這是一個相當可觀的工作量。下面我們把Address實現為常量類型：
- 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，不能修改現有的實例，只能創建一個新的實例：
- 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狀態。那些臨時狀態只存在于Address的構造函數執行過程中。這樣一來，Address是異常安全的，也是線程安全的。
確保0為值類型的有效狀態
.NET的默認初始化機制會將引用類型設置為二進制意義上的0，即null。而對于值類型，不論我們是否提供構造函數，都會有一個默認的構造函數，將其設置為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
- }
創建Employee結構體將得到一個無效的Sex字段：
- Employee employee = new Employee ();
employee的_sex是無效的，因為其為0。我們應該將0作為一個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，會出現另一種初始化問題：
- public struct ErrorLog
- {
- private string _message;
- //other
- }
然后創建一個ErrorLog：
- ErrorLog errorLog = new ErrorLog ();
errorLog的_message字段將是一個空引用。我們應該通過一個屬性來將_message暴露給客戶代碼，從而使該問題限定在ErrorLog 的內部：
- public struct ErrorLog
- {
- private string _message;
- public string Message
- {
- get
- {
- return (_message ! = null) ? _message : string.Empty;
- }
- set { _message = value; }
- }
- //other
- }
盡量減少裝箱和拆箱
裝箱指把一個值類型放入一個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象中取出值類型：
- object referenceType;
- int valueType = (int)referenceType;//unboxing
裝箱和拆箱是比較耗費性能的，還會引入一些詭異的bug，我們應當避免裝箱和拆箱。
裝箱和拆箱***的問題是會自動發生。比如：
- Console.WriteLine("A few numbers: {0}, {1}.", 25, 32);
其中，Console.WriteLine()接收的參數類型是(string，object，object)。因此，實際上會執行以下操作：
- int i = 25;
- obeject o = i;//boxing
然后把o傳給WriteLine()方法。在WriteLine()方法的內部，為了調用i上的ToString()方法，又會執行：
- int i = (int)o;//unboxing
- string output = i,ToString();
所以正確的做法應該是：
- Console.WriteLine("A few numbers: {0}, {1}.", 25.ToString(), 32.ToString());
25.ToString()只是執行一個方法并返回一個引用類型，不存在裝箱/拆箱的問題。
另一個典型的例子是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，還容易導致錯誤發生。
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>是強類型的集合，employees.Add()方法不進行類型轉換，所以不存在裝箱/拆箱的問題。
C#引用類型和值類型的區別——總結
C#中，變量是值還是引用僅取決于其數據類型。
C#的值類型包括：結構體（數值類型，bool型，用戶定義的結構體），枚舉，可空類型。
C#的引用類型包括：數組，用戶定義的類、接口、委托，object，字符串。
數組的元素，不管是引用類型還是值類型，都存儲在托管堆上。
引用類型在棧中存儲一個引用，其實際的存儲位置位于托管堆。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，跟隨其所屬的變量（實例）存儲；作為局部變量時，存儲在棧上。
值類型在內存管理方面具有更好的效率，并且不支持多態，適合用作存儲數據的載體；引用類型支持多態，適合用于定義應用程序的行為。
應該盡可能地將值類型實現為具有常量性和原子性的類型。
應該盡可能地確保0為值類型的有效狀態。
應該盡可能地減少裝箱和拆箱。
關鍵字new將在托管堆上分配內存空間，并返回一個該內存空間的地址。左邊的reference位于棧上，是一個引用，存儲著一個內存地址；而這個地址指向的內存（位于托管堆）里存儲著其內容（一個System.Object的實例）。
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