C#学习笔记-值类型和引用类型

前言

首先，什么是值类型，什么是引用类型？
在C#中值类型的变量直接存储数据，而引用类型的变量持有的是数据的引用，数据存储在数据堆中。
值类型（value type）：byte，short，int，long，float，double，decimal，char，bool 和 struct 统称为值类型。值类型变量声明后，不管是否已经赋值，编译器为其分配内存。
引用类型（reference type）：string 和 class统称为引用类型。当声明一个类时，只在栈中分配一小片内存用于容纳一个地址，而此时并没有为其分配堆上的内存空间。当使用 new 创建一个类的实例时，分配堆上的空间，并把堆上空间的地址保存到栈上分配的小片空间中。
值类型的实例通常是在线程栈上分配的（静态分配），但是在某些情形下可以存储在堆中。引用类型的对象总是在进程堆中分配（动态分配）。

1、通用类型系统

C#中，变量是值还是引用仅取决于其数据类型。
C#的基本数据类型都以平台无关的方式来定义。C#的预定义类型并没有内置于语言中，而是内置于.NET Framework中。.NET使用通用类型系统（CTS）定义了可以在中间语言（IL）中使用的预定义数据类型，所有面向.NET的语言都最终被编译为IL，即编译为基于CTS类型的代码。
例如，在C#中声明一个int变量时，声明的实际上是CTS中System.Int32的一个实例。这具有重要的意义：
确保IL上的强制类型安全；
实现了不同.NET语言的互操作性；
所有的数据类型都是对象。它们可以有方法，属性，等

2、值类型

C#的所有值类型均隐式派生自System.ValueType：
结构体：struct（直接派生于System.ValueType）；
数值类型：
整型：sbyte（System.SByte的别名），short（System.Int16），int（System.Int32），long（System.Int64），byte（System.Byte），ushort（System.UInt16），uint（System.UInt32），ulong（System.UInt64），char（System.Char）；
浮点型：float（System.Single），double（System.Double）；
用于财务计算的高精度decimal型：decimal（System.Decimal）。
bool型：bool（System.Boolean的别名）；
用户定义的结构体（派生于System.ValueType）。
枚举：enum（派生于System.Enum）；
可空类型（派生于System.Nullable泛型结构体，T?实际上是System.Nullable的别名）。
每种值类型均有一个隐式的默认构造函数来初始化该类型的默认值。例如：
使用new运算符时，将调用特定类型的默认构造函数并对变量赋以默认值。在上例中，默认构造函数将值0赋给了i。
所有的值类型都是密封（seal）的，所以无法派生出新的值类型。
值得注意的是，引 用类型和值类型都继承自System.Object类。不同的是，几乎所有的引用类型都直接从System.Object继承，而值类型则继承其子类，即 直接继承System.ValueType。System.ValueType直接派生于System.Object。即System.ValueType本身是一个类类型，而不是值类型。其关键在于ValueType重写了Equals()方法，从而对值类型按照实例的值来比较，而不是引用地址来比较。
可以用Type.IsValueType属性来判断一个类型是否为值类型

3、引用类型

C#有以下一些引用类型：
数组（派生于System.Array）
用户用定义的以下类型：
类：class（派生于System.Object）；
接口：interface（接口不是一个“东西”，所以不存在派生于何处的问题。Anders在《C# Programming Language》中说，接口只是表示一种约定[contract]）；
委托：delegate（派生于System.Delegate）。
object（System.Object的别名）；
字符串：string（System.String的别名）。
可以看出：
引用类型与值类型相同的是，结构体也可以实现接口；
引用类型可以派生出新的类型，而值类型不能；
引用类型可以包含null值，值类型不能（可空类型功能允许将 null 赋给值类型）；
引用类型变量的赋值只复制对对象的引用，而不复制对象本身。而将一个值类型变量赋给另一个值类型变量时，将复制包含的值。
对于最后一条，经常混淆的是string。我曾经在一本书的一个早期版本上看到String变量比string变量效率高；我还经常听说String是引用类型，string是值类型，等等。例如：
string s1 = "Hello, " ;
string s2 = “world!” ;
string s3 = s1 + s2;//s3 is “Hello, world!”
这确实看起来像一个值类型的赋值。再如：
string s1 = “a” ;
string s2 = s1 ;
s1 = “b”;//s2 is still “a”
改变s1的值对s2没有影响。这更使string看起来像值类型。实际上，这是运算符重载的结果，当s1被改变时，.NET在托管堆上为s1重新分配了内存。这样的目的，是为了将做为引用类型的string实现为通常语义下的字符串。

4、值类型和引用类型在内存中的部署

经常听说，并且经常在书上看到：值类型部署在栈上，引用类型部署在托管堆上。实际上并没有这么简单。
托管堆上部署了所有引用类型。这很容易理解。当创建一个应用类型变量时：
关键字new将在托管堆上分配内存空间，并返回一个该内存空间的地址。左边的reference位于栈上，是一个引用，存储着一个内存地址；而这个地址指向的内存（位于托管堆）里存储着其内容（一个System.Object的实例）。下面为了方便，简称引用类型部署在托管推上。

再来看值类型。《C#语言规范》上的措辞是“结构体不要求在堆上分配内存（However, unlike classes, structs are value types and do not require heap allocation）”而不是“结构体在栈上分配内存”。这不免容易让人感到困惑：值类型究竟部署在什么地方？

4.1、数组

int[] reference = new int[100];

根据定义，数组都是引用类型，所以int数组当然是引用类型（即reference.GetType().IsValueType为false）。

而int数组的元素都是int，根据定义，int是值类型（即reference[i].GetType().IsValueType为true）。那么引用类型数组中的值类型元素究竟位于栈还是堆？

如果用WinDbg去看reference[i]在内存中的具体位置，就会发现它们并不在栈上，而是在托管堆上。

实际上，对于数组：

TestType[] testTypes = new TestType[100];

如果TestType是值类型，则会一次在托管堆上为100个值类型的元素分配存储空间，并自动初始化这100个元素，将这100个元素存储到这块内存里。

如果TestType是引用类型，则会先在托管堆为testTypes分配一次空间，并且这时不会自动初始化任何元素（即testTypes[i]均为null）。等到以后有代码初始化某个元素的时候，这个引用类型元素的存储空间才会被分配在托管堆上。

4.2、类型嵌套

更容易让人困惑的是引用类型包含值类型，以及值类型包含引用类型的情况：

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?

单看valueTypeStructInstance，这是一个结构体实例，感觉似乎是整块扔到栈上的。但是字段_referenceTypeField是引用类型，局部变量referenceTypeLocalVarible也是引用类型。
referenceTypeClassInstance也有同样的问题，referenceTypeClassInstance本身是引用类型，似乎应该整块部署在托管堆上。但字段_valueTypeField是值类型，局部变量valueTypeLocalVariable也是值类型，它们究竟是在栈上还是在托管堆上？
规律是：
引用类型部署在托管堆上
值类型总是分配在它声明的地方：作为字段时，跟随其所属的变量（实例）存储；作为局部变量时，存储在栈上。
我们来分析一下上面的代码。对于引用类型实例，即referenceTypeClassInstance：

从上下文看，referenceTypeClassInstance是一个局部变量，所以部署在托管堆上，并被栈上的一个引用所持有；
值类型字段_valueTypeField属于引用类型实例referenceTypeClassInstance的一部分，所以跟随引用类型实例referenceTypeClassInstance部署在托管堆上（有点类似于数组的情形）；
valueTypeLocalVariable是值类型局部变量，所以部署在栈上。
而对于值类型实例，即valueTypeStruct：

根据上下文，值类型实例valueTypeStructInstance本身是一个局部变量而不是字段，所以位于栈上；
其引用类型字段_referenceTypeField不存在跟随的问题，必然部署在托管堆上，并被一个引用所持有（该引用是valueTypeStruct的一部分，位于栈）；
其引用类型局部变量referenceTypeLocalVariable显然部署在托管堆上，并被一个位于栈的引用所持有。
所以，简单地说“值类型存储在栈上，引用类型存储在托管堆上”是不对的。必须具体情况具体分析。

5、辨明值类型和引用类型的使用场合

在C#中，我们用struct/class来声明一个类型为值类型/引用类型。考虑下面的例子：
SomeType[] oneTypes = new SomeType[100];
如 果SomeType是值类型，则只需要一次分配，大小为SomeType的100倍。而如果SomeType是引用类型，刚开始需要100次分配，分配后 数组的各元素值为null，然后再初始化100个元素，结果总共需要进行101次分配。这将消耗更多的时间，造成更多的内存碎片。所以，如果类型的职责主 要是存储数据，值类型比较合适。
一般来说，值类型（不支持多态）适合存储供 C#应用程序操作的数据，而引用类型（支持多态）应该用于定义应用程序的行为。通常我们创建的引用类型总是多于值类型。如果满足下面情况，那么我们就应该创建为值类型：
该类型的主要职责用于数据存储。
该类型的共有接口完全由一些数据成员存取属性定义。
该类型永远不可能有子类。
该类型不具有多态行为。

6、值类型和引用类型的区别（小结）

相同点：
引用类型可以实现接口，值类型当中的结构体也可以实现接口；
引用类型和值类型都继承自System.Object类。
1）范围方面
C#的值类型包括：结构体（数值类型、bool型、用户定义的结构体），枚举，可空类型。
C#的引用类型包括：数组，用户定义的类、接口、委托，object，字符串。
2）内存分配方面：
数组的元素不管是引用类型还是值类型，都存储在托管堆上。
引用类型在栈中存储一个引用，其实际的存储位置位于托管堆。简称引用类型部署在托管推上。而值类型总是分配在它声明的地方：作为字段时，跟随其所属的变量（实 例）存储；作为局部变量时，存储在栈上。（栈的内存是自动释放的，堆内存是.NET中会由GC来自动释放）
3）适用场合
值类型在内存管理方面具有更好的效率，并且不支持多态，适合用做存储数据的载体；引用类型支持多态，适合用于定义应用程序的行为。
引用类型可以派生出新的类型，而值类型不能，因为所有的值类型都是密封（seal）的；
引用类型可以包含null值，值类型不能（可空类型功能允许将 null 赋给值类型，如 int? a = null; ）；
引用类型变量的赋值只复制对对象的引用，而不复制对象本身。而将一个值类型变量赋给另一个值类型变量时，将复制包含的值。
值得注意的是，引 用类型和值类型都继承自System.Object类。不同的是，几乎所有的引用类型都直接从System.Object继承，而值类型则继承其子类，即 直接继承System.ValueType。即System.ValueType本身是一个类类型，而不是值类型。其关键在于ValueType重写了Equals()方法，从而对值类型按照实例的值来比较，而不是引用地址来比较。