CLR-2-2-引用類型和值類型

引用類型和值類型，是一個老生常談的問題了。裝箱拆箱相信也是猿猿都知，但是還是跟著CLR via C#加深下印象，看有沒有什麼更加根本和以前被忽略的知識點。

引用類型：

引用類型有哪些這裡不過多贅述，來關心一下它在電腦內部的實際操作，引用類型總是從托管堆分配，線程棧上存儲的是指向堆上數據的引用地址，首先確立一下四個事實：

 記憶體必須從托管堆分配

 堆上分配成員時，CLR要求你必須有一些額外成員（比如同步塊索引，類型對象指針）。這些成員必須初始化。

 對象中的其他位元組總是設為零

 從托管堆上分配對象時，可能強制執行一次垃圾回收

所以引用類型對性能是有顯著影響的。

值類型：

值類型是CLR提供的輕量級類型，它把實際的欄位存儲線上程棧上

值類型不受垃圾回收器的限制，所以它的存在緩解了托管堆的壓力，也減少了垃圾回收的次數。

值類型都是派生自System.ValueType

所有值類型都是隱式密封的，目的是防止將值類型作為其他引用類型的基類

值類型初始化為空時，預設為0，它不像引用類型是指針，它不會拋出NullReferenceException異常，CLR還為值類型提供了可控類型。

誤區防範：根據我自己的經驗，要避免對引用類型值類型賦值的錯誤認識，我們先需要清楚，定義值類型，引用類型的底層實際操作，下麵先根據流程圖瞭解一下：

例子：

 1 class SomeRef{public int x;}
 2 struct SomeVal{public int x;}
 3 
 4 staic void Test
 5 {
 6 SomeRef  r1=new SomeRef();
 7 SomeVal v1 =new SomeVal();
 8 
 9 r1.x=5;
10 v1.x=5;
11 
12 SomeRef  r2=r1;
13 SomeVal v2 =v1;
14 r1.x=8;
15 v1.x=9;
16 
17 string a="QWER";
18 string b=a;
19 a="TYUI";
20 }

這樣類似的例子，相信只要講到引用類型，值類型，就一定會見到，繼續複習一下。

首先揭曉幾輪複製後的結構：r1.x=8,r2.x=8 v1.x=9 v2.x=5 a="TYUI" b="QWER"

簡單分析一下：

r1 ,r2線上程棧上存儲的是同一個指向記憶體堆的地址，當r1值改變時，其實是直接改變記憶體堆里的內容，自然r1,r2全部變成了8。

而v1,v2是獨立存儲線上程棧上的，v1值改變時，只是單單改變v1線程棧里的值，自然v2=5,v1=9。

而a，b的值為什麼不像上面r1.x一樣變化呢，它們不是引用類型嗎，這就需要去看看上面的流程圖，因為你在給a改變賦值時，其實是在托管堆上開闢了一個新的空間，你傳給a的是一個新的地址，而b還指向原來的老地址。

結合上面的三個圖和示例，對於引用類型和值類型構建相信應該有一個清楚的理解了。

使用值類型的一些建議：

值類型相對於引用類型，性能上更有優勢，但是考慮在業務上的問題，值類型一般需要滿足下麵的全部條件，才是適合定義為值類型：

 類型具有基元類型的行為。也就是說，是十分簡單的類型，沒有成員會修改類型的任何實例。如果類型沒有提供會更改其他欄位的成員，就稱為不可變類型（immutable）。事實上，對於許多值類型，我們都建議將全部欄位標記為readonly。

 類型不需要從其他類型繼承

 類型不派生出其他類（隱式密封）。

類型大小也應考慮：

因為實參預設以傳值方式傳遞，造成對值類型實例中的欄位進行複製，如果值類型過於大會對性能造成損害。

同樣，當頂一個值類型的方法返回時，實例中的欄位會複製到調用者分配的記憶體，也可能造成性能的損害。

所以，必須滿足以下任意條件：

 類型實例較小（16位元組或更小）

 類型實例較大（大於16位元組），但不作為方法實參傳遞，也不從方法傳遞

值類型的局限：

 值類型有兩種形式：未裝箱和已裝箱，而引用類型一直是已裝箱。

 值類型從System.ValueType派生，System.ValueType重寫了Equals和GetHashCode方法。生成哈希碼時，會將對象的實例欄位的值考慮在內。所以定義自己的值類型時，因重寫Equals和GetHashCode方法。

 值類型不能被繼承，它自己的方法不能是抽象的，所有都是隱式密封的。

 值類型不在記憶體堆中分配，所以一個實例的方法不再活動時，分配給值類型的記憶體空間會被釋放，而沒有垃圾回收機制來處理它。

值類型的裝箱拆箱：

例如，ArrayList不斷的添加值類型進入數組時，就會發生不斷的裝箱操作，因為它的Add方法參數是object類型，自然裝箱就不可避免，自然也會造成性能的損失(FCL現在提供了泛型集合類，System.Collection.Generic.List<T>,它不需要裝箱拆箱操作。使得性能提升不少)。

裝箱相關的含義相信不用過多解釋，我們來關心一下，記憶體中的變化，看看它是如何對性能造成影響的。

裝箱：

 在托管堆中分配記憶體。記憶體大小時值類型各欄位所需的記憶體加上兩個額外成員（托管堆所有對象都有）類型對象指針和同步塊索引所需的記憶體量。

 值類型的欄位值複製到堆記憶體的空間中。

 返回堆上對應的地址

然後，一個值類型就變成了引用類型。

拆箱：

 根據引用類型的地址找到堆記憶體上的值

 將值複製給值類型

拆箱的代價比裝箱小得多

裝箱拆箱註意點：

下麵通過幾個示例，來熟悉一下裝箱拆箱的過程，並學會如何避免錯誤的判定裝箱拆箱，CLR via C#這兩個實例對裝箱拆箱的理解非常有幫助：

 1     internal struct Point : IComparable
 2     {
 3         private Int32 m_x,m_y;
 4         public Point(int x,int y)
 5         {
 6             m_x = x;
 7             m_y = y;
 8         }
 9 
10         public override string ToString()
11         {
12             return String.Format("({0},{1})", m_x.ToString(), m_y.ToString());
13         }
14 
15 
16         public int CompareTo(Point p)
17         {
18             return Math.Sign(Math.Sqrt(m_x * m_x + m_y * m_y) - Math.Sqrt(p.m_x * p.m_x + p.m_y * p.m_y));          
19         }
20 
21         public int CompareTo(object obj)
22         {
23             if (GetType() != obj.GetType())
24             {
25                 throw new ArgumentException("o is not a point");
26             }
27            return CompareTo((Point)obj);
28         } 
29     }

 1         static void Main(string[] args)
 2         {
 3             //在棧上創建兩個實例
 4             Point p1 = new Point(10,10);
 5             Point p2 = new Point(10,20);
 6 
 7             //調用Tostring不裝箱
 8             Console.WriteLine(p1.ToString());
 9 
10             //調用非虛方法GetType裝箱
11             Console.WriteLine(p1.GetType());
12 
13             //調用CompareTo,不裝箱
14             Console.WriteLine(p1.CompareTo(p2));
15 
16             //p1裝箱 
17             IComparable C = p1;
18             Console.WriteLine(C.GetType());
19 
20             //不裝箱，調用的CompareTo（object）
21             Console.WriteLine(p1.CompareTo(C));
22 
23              //不裝箱，調用的CompareTo（object）
24             Console.WriteLine(p1.CompareTo(p2));
26 
27             Console.ReadKey();
28         }

1.調用ToString

不裝箱，因為ToString是從ValueType繼承的虛方法，中間沒有類型轉換的發生，不需要進行裝箱，另外註意的是：Equals，GetHashCode,ToString都是從ValueTye繼承的虛方法，由於值類型都是密封類，無法派生，所以只要你的值類型重寫了這些方法，並沒有去調用基類的實現，那麼是不會發生裝箱的，如果你去調用基類的實現，或者你沒有實現這些方法，那麼還是可能發生裝箱。

2.調用GetType

GetType是繼承自Object，並且不能被重寫，所以無論如何值類型對其調用都會發生裝箱，另外MemberwiseClone方法也是如此。

3.第一次調用CompareTo方法

 因為Point裡面有了類型為Point的參數CompareTo方法，不會發生裝箱操作

4.p1轉換為ICompable

確認過眼神，這一定是一個裝箱。

5.第二次調用CompareTo方法

雖然這次調用的是參數為object的方法，但是註意的是：首先我們Point實現了這個重載，另外傳進去的是個ICompable，自然不會發生裝箱（另外，如果Point本身沒有這個方法呢？當然會裝箱，因為它不得不去調用父類的方法，而父類是一個引用類型，自然需要進行一次裝箱操作）

6.第三次調用CompareTo方法

c是ICompable，而ICompable在托管堆上也有對應的方法，也不會有裝箱發生。

 5  internal struct point
 6   {
 7         private int m_x,m_y;
 8     
 9         pulic point(int x,int y)
10       {
11           m_x=x;
12           m_y=y;
13       }
14  
15      public void change(int x,int y)
16     {
17          m_x=x;
18          m_y=y;
19     } 
20  
21     public ovveride String ToString()
22      {
23          return String.Format("{0},{1}",m_x.ToString.m_y.ToString());
24      } 
25  
26  }  

 1 public static void Main()
 2 {
 3   Point p = new Point(1,1);
 4   Console.WriteLine(p);
 5 
 6   p.Change(2,2);
 7   Console.WriteLine(p);
 8 
 9   Object o=p;
10   Console.WriteLine(o);
11 
12   ((Point) o).Change(3,3);
13   Console.WriteLine(o);
14 }

結果：當然是 （1,1）（2,2） （2,2） （2,2） 前面三次的結果很好理解，第四次為什麼是（2,2），因為object沒有change方法，它等拆箱拆到線程棧新的地址上，於是後面的操作則是線上程棧上進行，對o堆上的內容沒有任何影響

 1      internale interface IChangeBoxedPoint
 2      {
 3           void Change(int x,int y);
 4      } 
 5    internal struct point
 6     {
 7           private int m_x,m_y;
 8       
 9           pulic point(int x,int y)
10       {
11            m_x=x;
12            m_y=y;
13        }
14   
15       public void change(int x,int y)
16      {
17           m_x=x;
18           m_y=y;
19      } 
20   
21      public ovveride String ToString()
22       {
23           return String.Format("{0},{1}",m_x.ToString.m_y.ToString());
24       } 
25 
26   }  

 1 public static void Main()
 2 {
 3    Point p =new p(1,1);
 4    Console.WriteLine(p);
 5    
 6    p.Change(2,2);
 7    Console.WriteLine(p);
 8    
 9    Objec o =p;
10    Console.WriteLine(o);
11    
12   ((Point) o).Change(3,3);
13   Console.WriteLine(o);
14   
15   ((IChangeBoxedPoint) p).Change(4,4);
16   Console.WriteLine(p);
17   
18   ((IChangeBoxedPoint) o).Change(5,5);
19   Console.WriteLine(o);
20 }

結果：前面四次的結果應該是顯而易見了，（1,1）（2,2） （2,2） （2,2），那麼第五次呢，來簡單分析一下p裝箱為IChangeBoxedPoint,然後把堆上對應的p的m_x,m_y改為4,4，但是對p輸出時堆上的內容不僅回收了，而且輸出的是原來p線程棧上的內筒，仍然還是剛剛的（2,2）,第六步，o沒有任何裝箱拆箱操作，當然是預期的（5,5）