c#：值类型、引用类型、装箱和拆箱、结构体、readonly、ref

环境：

• window10
• vs2019
• .net core 3.1 控制台

参考：
《C#中定义装箱和拆箱详解》
《c# struct 灵魂拷问》
《[译]C# 7系列，Part 6: Read-only structs 只读结构》
《[译]C# 7系列，Part 9: ref structs ref结构》
《.NET高性能编程 - C#如何安全、高效地玩转任何种类的内存之Span的本质(一)。》
《.NET高性能编程 - C#如何安全、高效地玩转任何种类的内存之Span的秉性特点(二)。》

说明：最近看到关于Span的介绍，其中涉及到《值类型、引用类型、装箱和拆箱、结构体、readonly、ref》的知识，这里做一下总结。

一、值类型和引用类型

c#的数据类型分两类：

• 值类型： Sbyte、Byte、Short、Ushort、Int、Uint、Long、Ulong、Char、Float、Double、Bool、Decimal、枚举(enum)、结构(struct)；
  它们全部隐式继承自：abstract class System.ValueType，也就是说代码定义时你只需要定义为struct，编译后它就会自动继承System.ValueType，而你在写代码的时候无法去给struct指定继承任何东西。

  反编译int类型的代码如下：
  
  

• 引用类型：类、数组、接口、委托、字符串等；

程序中的主要内存类型：

• 栈内存（stack）：

  空间较小，方法的调用、代码执行、本地变量、方法参数都存储在这里。

• 堆内存（heap）

  空间较大，引用类型变量的数据都存储在这里，同时栈内存中会有这里地址的引用。

示意图如下：

程序方法中对于值类型和引用类型的赋值情况如下：

二、装箱和拆箱

当我们代码中使用object类型变量指向一个int类型数据时，.net就会自动将这个int数据拷贝到堆上，然后将分配的地址告诉这个object类型变量，这叫装箱；
当我们将上面定的的object类型变量又强转成int类型时，.net就会自动将这个int数据从堆上拷贝到栈里，这叫拆箱；

考虑下面简单的代码：

public static void Main()
{
    // i是值类型，存储在栈中
    int i = 5;
    // obj是引用类型变量，将i复制到堆中，并把地址给obj
    object obj = i;
    // obj指向的堆中的数据复制到栈中转成int类型给变量i
    i = (int)obj;
}

观察下编译后的IL：

三、值类型的比较

我们知道，代码中比较两个对象是否相等是基本操作，对于引用类型默认调用Object.Equals方法，比较的是内存地址，那么至于值类型是怎么比较的呢？

我们可以直接看ValueType的Equals方法：

四、关键字ref

一般我们定义方法如下：

public void Show(Object p){}
public void Add(int i,int j){}

上面两个方法调用的时候都是将变量拷贝一下再传递进去的，称为传值。
对于引用类型变量，拷贝的变量在堆内存中的地址，虽然不是一个变量了，但它们指向的地址是相同的；
对于值类型变量，由于它们的数据就在栈中，所以拷贝的是数据本身，所以我们在上面的Add方法中修改i和j的值，无法反馈到外层调用者。为了解决这个问题，c#中提供了ref关键字，当方法参数前加上它后，.net在调用时就直接将值类型的地址传了进来，而不是传一个拷贝的数据，此时我们在Add方法中修改i和j的值，外层调用者也能看到，定义如下：

public void Add(ref int i,ref int j){};

对于引用类型变量参数，我们也可以加ref关键字，原理一致，效果就是我们在方法内对p赋值，那么外层调用者也能看到这个变量指向的堆地址改变了。

另外，ref关键字不仅能用在方法参数前，在方法中也可以使用，如下：

public static void Show()
{
    var person1 = new Person() { Age = 18 };
    // 将person1指向的内存地址赋值给person2
    var person2 = person1;
    // 改变person2指向的内存地址，此时person1指向的内存地址并没有变
    person2 = new Person() { Age = 19 };
    Debug.Assert(person1.Age == 18);

    //将person1变量的地址赋值给person3（注意：不是将person1指向的地址赋值给person3），此时可认为person3就是person1
    ref Person person3 = ref person1;
    person3 = new Person() { Age = 20 };
    Debug.Assert(person1.Age == 20);
}

五、结构体

int等数据类型除了是c#中的基础类型（值类型）之外，它们还都是结构体。

结构体和类看起来很像，但是它们有很大不同：

• 类可以继承、可以多态，而结构体主要是对数据的一块封装，不能继承，当然也就没有多态；
• 类的数据存储在堆中，结构体的数据存储在栈中；

关于struct的问题：

• struct继承自抽象类ValueType，最终继承自Object，为什么它就是值类型呢？

  其实这是一个约定，c#中结构体并没有继承的功能，但总有一些方法要复用，所以编译器不让我们写继承，而是它自己偷偷的继承了ValueType。

• struct能实现接口嘛，和类实现接口有什么不同？

  struct可以实现接口，因为接口本身是一系列方法的签名。
  不过，因为类和接口都是引用类型，而struct是值类型，所以当使用接口变量指向结构体时会将结构体装箱到堆中。当又使用结构体变量指向上面装箱的接口时就会发生拆箱的动作，这一装一拆可能会导致你对结构体更改的内容失效，如下代码：

   public static void Main()
   {
       var cat = new Cat { Id = 1 };
       //栈中的数据
       Console.WriteLine($"cat.Id={cat.Id}");//输出: cat.Id=1
       var animal = cat as IAnimal;
       animal.Update(2);
       //装箱后到了堆里，并在堆里改了值，打印出堆里的值
       Console.WriteLine($"animal.Show()={animal.Show()}");//输出: animal.Show()=2
       var cat2 = (Cat)animal;
       //拆箱后把数据从堆里复制到了栈，新的结构体
       Console.WriteLine($"cat2.Id={cat2.Id}");//输出: cat2.Id=2
       //栈中原来的数据并不受影响
       Console.WriteLine($"cat.Id={cat.Id}");//输出: cat.Id=1
       cat.Id = 3;
       //栈中的数据直接修改为
       Console.WriteLine($"cat.Id={cat.Id}");//输出: cat.Id=3
       //栈中的数据直接修改并不影响堆里的数据以及新的结构体数据
       Console.WriteLine($"animal.Show()={animal.Show()},cat2.Id={cat2.Id}");//输出: animal.Show()=2,cat2.Id=2
   }
  

• struct中this是可以写入的？

  没错，和类不同，在struct方法中，你可以给this赋值，负值后这个结构体的数据奖杯覆盖，如下：

  class TestDemo
  {
     public static void Main()
     {
         var cat = new Cat { Id = 1 };
         var cat2 = new Cat { Id = 2, Name = "小明" };
         //相当于将cat2中的数据拷贝到cat中
         //但cat和cat2仍然是两块内存
         cat.Update(cat2);
         Console.WriteLine($"cat.Id={cat.Id},cat.Name={cat.Name}");//输出: cat.Id=2,cat.Name=小明
     }
  }
  
  public struct Cat
  {
     public int Id { get; set; }
     public string Name { get; set; }
     public void Update(Cat cat)
     {
         this = cat;
     }
  }
  

六、readonly struct

即只读的struct，如果struct不是只读的话，那么它在装箱和拆箱的时候可能会影响到你的代码逻辑。

我们习惯对类属性的修改操作是一处修改，处处修改，因为类的数据存储在堆中，无论我们用接口或者是数据类型本身去引用它都不是拆箱装箱，不会产生数据副本，所以数据只有一份，自然是修改一处，处处修改。

但通过上面的示例，我们看到系统在自动拆箱装箱的时候会产生数据不一致的情况，所以出现了readonly，当我们把结构体声明为readonly的时候，就表示我们仅希望在创建结构体时对成员赋值，一旦创建完毕就不要再改动里面的值了，如下：

class TestDemo
{
    public static void Main()
    {
        var cat = new Cat(1, "小明");
        //因为cat是readonly的，所以系统仅允许我们构建时赋值，在装箱拆箱后均不允许修改结构体内容，所以能避免数据不一致的问题
        var animal = cat as IAnimal;
        var cat2 = (Cat)animal;
        // 因为除了在构造函数中不允许修改结构体数据，所以即使发生了装箱和拆箱也不影响最终数据的一致性
        // 但我们要知道，cat和cat2是栈内存中两个不同的地址，而animal引用的数据在堆中
    }
}

public readonly struct Cat : IAnimal
{
    public readonly int Id { get; }
    public readonly string Name { get; }
    public Cat(int id, string name)
    {
        this.Id = id;
        this.Name = name;
    }

    public Cat(Cat cat)
    {
    	// 构造函数中可以改数据，自然也可以对this赋值
        this = cat;
    }

    public void Update(int id)
    {
        //因为readonly已经要求属性必须是只读的所以下面肯定报错
        //this.Id = id;
    }

    public void UpdateThis(Cat cat)
    {
        //因为结构体是只读的，所以不允许对this赋值
        //this = cat;
    }

    public void UpdateId(int id)
    {
        //readonly的，报错
        //this.Id = id;
    }
}

public interface IAnimal
{
    void Update(int id);
}

可以看出加了readonly的struct虽然限制了其功能，但解决了数据一致性的问题！

七、ref readonly struct

在c#中我们能看到Span结构体的定义如下：

那么在struct加上readonly ref是什么作用呢？

答： 限制结构体必须存储在栈中！！！

既然限制在栈中，那么就不会发生装箱和拆箱，那么还能实现接口嘛？不能了！！下面代码报错：

限制结构体只能存储在栈中的后果不止不能实现接口，还有：

• 不能用作类的成员变量；

  因为类是存储在堆里的，而ref结构体不能存储在堆里，所以不能作为类的成员变量，示例报错代码：
  

• 不用用作非ref结构体的成员变量

  因为非ref结构体可以作为类属性存储在堆里，所以ref结构体不能作为非ref结构体的属性，如下代码：
  

• 不能用作泛型参数

  这里暂且理解为：因为委托是引用类型，所以ref结构体不能做它的泛型参数，如下代码：
  

• 不能用作异步方法（async/await）的参数

  因为异步方法的参数在编译时会被放进状态机的属性中，所以异步方法自然不能用ref结构体做参数，代码如下：
  

• 不能用作lamda表达式的参数

  直接看代码报错情况：
  

那么，ref的结构体应该怎么使用呢？

答： 应该仅考虑将它同在局部变量或非异步的参数上。

如下使用示例：