漫談值類型和引用類型

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一.前言 從這個簡單程式的輸出結果,你想到了什麼?是不是與你心中想的結果不一致?是不是覺得輸出的結果應該為:i is 1,o is 8,o2 is 8 二.程式執行前 圖 2 我們都知道,每一個方法在執行前,操作系統會給方法內每個變數分配記憶體空間。從圖2中就可以看出,在執行前各變數(i,o,o2)已 ...


 

一.前言

                            圖1

        從這個簡單程式的輸出結果,你想到了什麼?是不是與你心中想的結果不一致?是不是覺得輸出的結果應該為:i is 1,o is 8,o2 is 8

二.程式執行前

                            圖2

                                                                                圖 2

       我們都知道,每一個方法在執行前,操作系統會給方法內每個變數分配記憶體空間。從圖2中就可以看出,在執行前各變數(i,o,o2)已分配了記憶體,且各自都有初始值。

       從圖中,可以發現變數i和變數o,o2有些許不同。變數i在記憶體中存儲的值和程式中的值是一樣的,都是0;變數o,o2在記憶體中存儲的值和程式中的值不一樣,記憶體中存儲的值是一個地址(0x00000000),程式中的值是null,那變數o,o2的null值存儲在哪呢?為什麼變數i和變數o,o2會有如此大的不同呢?

       我們都知道,C#有兩大類型:值類類型和引用類型。圖2中int屬於值類型,object屬於引用類型。接下來,介紹一下值類型和引用類型:

      1.值類型的值存儲在記憶體棧上,引用類型的值存儲在記憶體堆中。

       園中有很多博文這麼描述,我用程式驗證了一下全局的值類型變數的值,靜態的值類型變數的值,引用類型實例中值類型成員的值,如下圖3

                        圖3

                                                                                                                     圖 3

       從圖中,可以看出變數(j,o,seg,st)的值應該是在同一個存儲區域中,而變數(gi)是在另外一個存儲區域中。引用類型Student的成員Age的地址還未分配。所以說值類型的值存儲在記憶體棧上是不准確的。

       查找了一些資料,記憶體格局分為四個區:

      1)全局數據區:存放全局變數,靜態變數,常量的值

      2)代碼區:存放程式代碼

      3)棧區:存放為運行而分配的局部變數,參數等

      4)堆區:自由存儲區。

      更為準確的說,方法體內的值類型變數的值存儲在記憶體棧上,引用類型變數的值存儲在記憶體堆上。由於對象實例是引用類型變數的值,而對象實例成員只是對象實例的一部分,所以其隨對象實例整個存儲在記憶體堆上。

       或許眼尖的園友發現了,上面那句話還是不對,結構體StructEg的引用類型成員Name的數據就沒有存儲在記憶體棧上。從圖3看,結構體變數seg的數據分成兩部分,值類型成員數據存儲在記憶體棧上,引用類型成員數據存儲在記憶體堆上。

       所以確切的說:方法體內的預定義的值類型(int,bool,char)變數的數據存儲在記憶體棧上,引用類型變數的值存儲在托管堆中,結構體的值類型成員的值存儲在記憶體棧上,結構體的引用類型成員的值存儲在記憶體堆中。(下麵介紹的值類型基本是預定義的值類型和只包含值類型成員的結構體,一般包含引用類型成員的都定義成類)

       2. 值類型變數直接存儲數據,而引用類型變數則存儲對數據的引用

       這句話怎麼理解呢?這句話中關鍵詞是”存儲”,其實還是在描述程式中的變數在記憶體棧中的表現。

       值類型變數在記憶體棧中存儲的是其在程式中的變數值,引用類型變數在記憶體棧中存儲的是其程式中的值在記憶體堆中的引用。(當然值類型變數和引用類型變數都是方法體內的局部變數或參數)

       3.引用類型變數賦值過程

       1)分配記憶體堆空間:我們都知道要存儲數據,首先得申請記憶體空間。引用類型變數在new實例化時,系統在記憶體堆中分配空間。

       2)更新地址:把引用類型變數在記憶體棧中存儲的值更新成新的值(新值為新分配的記憶體堆的首地址)。至此,引用類型變數指向了新的記憶體空間。

       3)填充值:把初始化值填充到記憶體堆中。

       可能有些園友會說,瞭解這個有什麼意義呢?那我就簡單的說一個現象:

       1)在學習方法理論時,傳參會有這樣的描述:值類型按值傳遞,傳遞的是對象的副本,對已調用方法中的對象的更改對原始對象無影響引用類型的對象按值傳遞傳遞的是對對象的引用,使用此引用更改對象的成員,此更改將影響原始對象。

       其實,這裡究其原理,就是因為值類型與引用類型的值的不同存儲位置,來描述其傳參後的影響。

       所以,有時我們為了影響值類型實參的值,而在形參前面加ref或out;有時我們為了不影響引用類型實參的值,而採用深拷貝的方式傳遞參數值。

       理論是為了指導實踐,當瞭解了其原理,在實踐時,我們才會顯得踏實。

三.執行變數i賦值

                             圖4

        從圖中可以看出,執行後,值類型變數在記憶體中存儲的值和其在程式中的值是一樣的,都是1。

四.執行object o=i;

                              圖5

                                                                                           圖 5

       從圖中可以看出,引用類型變數o的值變成1了,在記憶體棧中存儲的值更新成新地址了。通過前面分析,我們知道變數o指向了1的新地址。值類型變數的值存儲在記憶體棧中,引用類型變數的值存儲在記憶體堆中,記憶體棧中的值是如何到記憶體堆中的?這就是本節要介紹的第二個重要概念,裝箱和拆箱。

       4.1.裝箱

        1.裝箱:裝箱是把值類型到object類型或值類型到其實現的介面的隱式轉換。

        園中很多博文介紹:值類型轉換為引用類型,就叫裝箱。我覺得這表述不太準確,如下圖6

                 圖6

                                                                            圖 6

           從圖6中可以看出,值類型不能隨意的轉換為引用類型,它只能隱式轉換為以下兩種引用類型:

           1)object類型;

           2)值類型實現的介面

           2.裝箱的過程

           前面已介紹了引用類型變數賦值過程了,裝箱步驟也類似:

           1)分配新的記憶體空間

           2)更改地址

           3)填充值:從值類型變數處拷貝一份值,存儲到新分配的記憶體堆中。

           4.2.拆箱

           1.拆箱:從 object 類型到值類型或從介面類型到實現該介面的值類型的顯式轉換。

           2.拆箱過程

           1)檢查對象實例,以確保它是給定值類型的裝箱值。若不能顯式轉換,則拋異常。

           意思是:裝箱時的值類型和拆箱時的值類型要完全一致(哪怕類型相容也不行,如下圖7中的裝箱前的類型是short,拆箱後的類型是int,就會產生異常)。如圖7

                       圖7

                                                                               圖 7

         2)驗證成功後,複製實例的值到值類型變數中

        相對於簡單的賦值而言,裝箱和拆箱過程需要進行大量的計算,所以其對性能會有較大的損耗。特別裝箱時,要創建新的對象實例,要在記憶體堆上分配新的記憶體空間,在分配新的記憶體空間時,可能會引起垃圾回收(垃圾回收對性能損耗非常大,具體垃圾回收為什麼會有很大的性能損耗,網上相關介紹很多,在此不做介紹)。

        或許有園友會說,平時裝箱/拆箱操作不多,其實在你不經意間,存在很多裝箱操作

        1)string s=string.Format(“{0}”,i);//i為值類型數據---典型的字元串格式化

四.執行object o2=o;

                          圖8

                                                                                          圖 8

                           圖9

                                                                                                  圖 9

        無論是值類型變數賦值還是引用類型變數賦值,都是把數據複製一份,然後賦給另一個變數。只是引用類型變數在記憶體棧中存儲的是其值在記憶體堆中的地址。所以引用類型變數間賦值,就使兩個變數指向了同一個記憶體堆空間。如上圖8,圖9

五.執行o=8

       此時,或許有人會說,這句不是表示對引用類型變數進行操作嗎?賦值了8後,它在記憶體堆內的值應該是8了,由於o2與o都指向記憶體堆內的同一個地址,所以o2的值也應該也是8。

       呵呵,請註意,8是值類型,o是引用類型,類型不一樣,要進行裝箱操作,裝箱的過程中會創建新的實例分配新的記憶體空間。所以引用類型變數o指向了新的記憶體堆空間了,由於引用類型變數o2沒有做任何操作,所以此時引用類型變數o和o2在記憶體棧中存儲的地址不一樣了,指向的記憶體堆地址也不一樣了,所以它們的值也就不一樣了。如下圖10,圖11

                                  圖10

                                                                                                       圖 10

                                 圖11

                                                                                                     圖 11

        那如何讓o的值改變,o2的值也同時變化,就要改變o對應的記憶體堆內的值。

六.最後執行Console.WriteLine("i is " + i.ToString() + ",o is " + o.ToString() + ",o2 is " + o2.ToString());

        所以最後結果的值是:i is 1,o is 8,o2 is 1

七.總結:

      通篇通過一則簡短的賦值程式,介紹了

      1)C#兩大類型:值類型與引用類型

      2)值類型與引用類型互相賦值,引出的裝箱、拆箱操作

      其中簡要介紹了裝箱操作會有比較大的性能損耗,特別是垃圾回收。

      最後,通過兩張圖來簡要概括下本篇博文的內容:

      1)C#兩大類型:

                               圖12

         2)變數賦值

                              圖12

 

 


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