Learning hard C#學習筆記——讀書筆記 07

本文介紹了值類型和引用類型在編程中的區別。值類型包括簡單類型、枚舉類型和結構體類型，通常被分配線上程的堆棧上，變數保存的是實例數據本身。引用類型實例則被分配在托管堆上，變數保存的是實例數據的記憶體地址。值類型由操作系統負責管理，而引用類型則由垃圾回收機制（GC）負責管理。本文還通過示例代碼展示了值類型... ...

1.值類型和引用類型

1.1 什麼是值類型和引用類型

值類型：包括簡單類型，枚舉類型，結構體類型等，值類型通常被分配線上程的堆棧上，變數保存的內容就是實例數據本身
引用類型：引用類型實例則被分配在托管堆上，變數保存的是實例數據的記憶體地址，引用類型主要包括類類型、介面類型、委托類型、字元串類型等

1.2 值類型和引用類型的區別

值類型和引用類型最主要的區別是——不同的記憶體分佈

我們之前介紹過，值類型分配在線程的堆棧上，引用類型分配在托管堆上，不同的分配位置導致了不同的管理機制，值類型由操作系統負責管理，引用類型則由垃圾回收機制（GC）負責管理

管理的主要是記憶體的分配與釋放

class Program {
    static void Main(string[] args) {
        // valuetype 是值類型
        int valuetype = 3;
        // reftype 是引用類型
        string reftype = "abc";
    }
}

在程式中，每個變數都有其堆棧地址，並且不同的變數，堆棧地址不同，valuetype 和 reftype 在堆棧地址占用了不同的位置，從下圖可以看出，無論是值類型還是引用類型，變數本身都是存儲在堆棧中，變數只是實例數據的一個引用

值類型的變數和實際數據通常會存儲線上程堆棧中，而引用類型則是，變數存儲線上程堆棧中，而實際數據存儲在托管堆中，此時變數存儲的是實際數據的地址，這個地址就像是我們實際生活中的地址，像快遞員，想要送包裹給你，也是需要你的地址

註意：我們對值類型的說法是通常線上程堆棧中，而也有不在堆棧的情況

1.引用類型嵌套值類型

如果類的欄位類型是值類型，它作為引用類型的一部分，會被分配到托管堆中，但是局部變數的值類型，則仍會被分配到線程棧中

public class NestedValueTypeInRef {
    // 這個和引用類型一起分配到托管堆中
    private int valueType = 3;

    public method() {
        // 方法的局部變數分配到線程棧中
        char c = 'c';
    }
}

class Program {
    static void Main(string[] agrs) {
        NestedRefTypeInValue reftype = new NestedRefTypeInValue();
    }
}

2.值類型嵌套定義引用類型

值類型嵌套定義引用類型，堆棧上將保存該引用類型的引用，而實際的數據則將保存在托管堆上

public class TestClass 
{
    public int x;
    public int y;
}

public struct NestedRefTypeValue 
{
    // 註意結構體的欄位不能初始化
    private TestClass classinValueType;
  
    // 註意結構體的構造函數不能無參
    public NestedRefTypeValue(TestClass t)
    {
        classinValueType.x = 3;
        classinValueType.y = 5;
        classinValueType = t;
    }
}

class Program {
    static void Main(string[] args) {
        NestedRefTypeValue valueType = new NestedRefTypeInValue(new TestClass())
    }
}

總結：

值類型繼承自ValueType，ValueType又繼承自System.Object；而引用類型則直接繼承自System.Object

值類型的記憶體不受GC控制，作用域結束，值類型會被系統自動釋放，從而減少了托管堆的壓力，而引用類型受到GC控制，所以與引用類型相比，值類型性能方面更占優勢

值類型是密封的（sealed），你不能把值類型作為其它任何類型的基類，而引用類型一般具有繼承性

值類型不能為null值，它的預設初始值為數值0，而由於類型在預設情況下為null值

由於值類型的變數包含其實際數據，因此在預設情況下，值類型之間的參數傳遞不會影響變數本身，而引用類型保存的數據的地址，它們作為參數傳遞，參數會發生變化，從而影響引用類型變數的值

1.3 兩大類型轉換——裝箱與拆箱

由於C#存在這兩種類型，自然需要對它們進行轉換，類型轉換指的是將數據的類型轉化為另外一種類型

類型轉換的方式：

隱式類型轉換：由低級類型向高級類型轉換的過程。例如：派生類可以隱式的轉換為它的父類，裝箱的過程就屬於指針隱式類型轉換
顯式類型轉換：強制類型轉換。這種轉換可能會導致精度丟失，或出現運行異常

強制類型轉換的格式

type就是你想要轉換的類型

(type)(變數、或函數)

通過 is 和 as 運算符可以進行安全的類型轉換

if (myObj is MyClass)
{
    // myObj 是 MyClass 類型的實例
}

MyClass myObj = someObj as MyClass;
if (myObj != null)
{
    // someObj 成功轉換為 MyClass 類型
}

通過 .NET 類庫中的Convert類來完成類型轉換

string str = "123";
int num = Convert.ToInt32(str);

string str = "2023-07-19";
DateTime date = Convert.ToDateTime(str);

string str = "Red";
Color color = (Color)Enum.Parse(typeof(Color), str);

1.3.1 裝箱和拆箱的原理

class Program {
    static void Main(string[] args) {
        int i = 3;
        // 裝箱操作
        object o = i;
        // 拆箱操作
        int y = (int) o;
    }
}

裝箱（box）可以具體為三個步驟

記憶體分配：在托管堆中分配好記憶體空間存放複製的實際數據
完成數據的複製：將值類型實例的實際數據複製到新分配的記憶體中
地址返回：將托管對象的地址返回給由於類型變數

拆箱（unbox）操作的步驟：

檢查實例：首先檢查要進行拆箱操作的引用類型變數是否為null，如果為null則拋出異常，如果不為null，則繼續檢查變數是否和拆箱之後的類型是否是同一個類型
地址返回：返回已裝箱變數的實際數據部分的地址
數據複製：將托管堆中的實際數據複製到棧中

註意：

裝箱和拆箱堆性能有比較大的影響，如果代碼中有大量的裝箱和拆箱會消耗很多運行時間
裝箱和拆箱必然會產生多餘的對象，進一步加重了GC的壓力

應該避免多次的裝箱和拆箱，最好使用泛型來編程

2. 參數傳遞的問題

C# 中的參數傳遞，我們可以分為四種情況

值類型參數按值傳遞
引用類型的參數按值傳遞
值類型參數按引用傳遞
引用類型的參數按引用傳遞

2.1 值類型的參數按值傳遞

參數可以分為實參和形參兩種，形參指的是被調用方法中的參數，而實參指的是我們傳遞過去的參數

class Program {
    static void Main(string[] args) {
        int addNum = 1;
        // addNum 就是實參
        Add(addNum);
    }
    // addnum就是形參，即被調用方法中的參數
    private static void Add(int addnum) {
        addnum += 1;
        Console.WriteLine(addnum);
    }
}

值類型按值傳遞，其實傳遞的是該值類型實例的一個副本，也就是說，方法對參數的操作，並不會影響實際的參數

class Program {
    static void Main(string[] args) {
        int addNum = 1;
        // addNum 就是實參
        Add(addNum);

        Console.WriteLine("調用方法之後的實際參數的值:"+addNum);
        Console.Read();
    }
    // addnum就是形參，即被調用方法中的參數
    private static void Add(int addnum) {
        addnum += 1;
        Console.WriteLine("方法中形參的值:"+addnum);
    }
}

我們可以看到圖中，並沒有一根線將 addNum 與 addnum 進行綁定，addnum使用只是 addNum 的副本

2.2 引用類型按值傳遞

當傳遞的是引用類型的時，傳遞和操作的目標時指向對象的地址，而傳遞的實際內容對地址的複製，由於地址指向的是實際參數的值，當方法對地址進行操作的時候，實際上操作的地址所指向的實際值，當調用方法之後，實參也會被修改

public class RefClass
{
    public int addNum;
}

class Program {
    static void Main(string[] args) {
        Console.WriteLine("引用類型按值傳遞的情況");
        RefClass refClass = new RefClass();
  
        refClass.addNum = 1;
        AddRef(refClass);

        Console.WriteLine("調用方法之後，實際參數的值:"+refClass.addNum);
        Console.Read();
    }

    private static void AddRef(RefClass addnumRef) {
        addNumRef.addNum += 1;
        Console.WriteLine("方法中的addNum值:"+addNumRef.addNum);
    }

}

2.3 string引用類型參數按值傳遞的特殊情況

雖然string類型也是引用類型，但是它按值傳遞，傳遞的參數斌不會因為方法中的形參改變而修改

這個特殊情況是因為string具有不變性，一旦string類型被賦值之後，則它就是不可改變的，即不能通過代碼修改它

2.4 值類型和引用類型的按引用傳遞

不管是值類型還是引用類型，都可以使用 ref 或 out 關鍵字來實現參數按引用傳遞，並且按引用進行傳遞的時候，方法的定義和調用都必須是顯式的使用 ref 或 out 關鍵字，不可省略

按引用傳遞時，不管是值類型，還是引用類型，本質都一樣是告訴編譯器，方法傳遞的是參數地址，而非參數本身

class Program 
{
    static void Main(string[] args) 
    {
        // num 作為實際參數
        int num = 1;
        // refStr 是引用類型實參
        string refStr = "Old string";
  
        // 值類型按引用傳遞
        ChangeByValue(ref num);
        Console.WriteLine(num);
  
        // 引用類型按引用傳遞
        ChangeByRef(ref refStr);
        Console.WriteLine(refStr);

        Console.Read();
  
    }

    private static void ChangeByValue(ref int numValue) 
    {
        numValue = 10;
        Console.WriteLine(numValue);
    }

    private static void ChangeByRef(ref string numRef) 
    {
        numRef = "new string";
        Console.WriteLine(numRef);
    }
}