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从CLR角度来看值类型与引用类型

2019-11-17 02:26:44
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来源:转载
供稿:网友

从CLR角度来看值类型与引用类型

前言

  本文中大部分示例代码来自于《CLR via C# Edition3》,并在此之上加以总结和简化,文中只是重点介绍几个比较有共性的问题,对一些细节不会做过深入的讲解。

前几天一直忙着翻译有关内存中堆和栈的问题博文《C#堆vs栈》,正是在写作本文的过程中对有些地方还是产生了很多的Why,所以就先翻译并学习了一些C/C++方面的知识,这样有助于解决CLR之外的一些困惑,希望多大家有所帮助。

  对知识的理解上难免有偏差或不正确,如有疑问以及错误,还请大家回复~~~

值类型和引用类型的不同

  C#中的类型划分为值类型(Value Type)和引用类型(Reference Type)。

Sample One:

        public void SampleOne()        {            SomeClass r1 = new SomeClass(); // 引用类型,在托管堆上被分配。            SomeStruct v1 = new SomeStruct(); // 值类型,在线程栈上被分配。            r1.X = 5; // 修改引用类型的值为5            v1.X = 5; // 修改值类型的x值为5            Console.WriteLine(r1.X); // 结果显示“5”            Console.WriteLine(v1.X); // 结果显示“5”        }

  SampleOne中仅仅是将值类型、引用类型的内容简单地更改了,并没有什么特别之处,对应的下图是程序在线程栈(Thread Stack)和托管堆(Managed Heap)上的示意图,唯一要说明的是下图中的“r1”本身代表了“对托管堆中一个对象SomeClass的引用(指针==值类型)”,如果理解起来有难度,请参考文章《C#堆vs栈》 。

  

Sample Two:

  

        public void SmapleTwo()        {            SomeClass r1 = new SomeClass(); // 引用类型,在托管堆上被分配。            SomeStruct v1 = new SomeStruct(); // 值类型,在线程栈上被分配。            r1.X = 5; // 修改引用类型的值为5            v1.X = 5; // 修改值类型的x值为5            SomeClass r2 = r1; // 只复制引用(r1指针)            SomeStruct v2 = v1; // 复制v1生成栈上的新对象v2            r1.X = 8; // r1.X与r2.X均改变,因为其指向的地址内容相同            v1.X = 9; // v1.X改变,而v2.X不改变            Console.WriteLine(r1.X); // 结果显示“8”            Console.WriteLine(r2.X); // 结果显示“8”            Console.WriteLine(v1.X); // 结果显示“9”            Console.WriteLine(v2.X); // 结果显示“5”        }

  SampleTwo中想说明的结果是:值类型是拷贝行为,新对象在栈上,新旧对象之间没有影响;引用类型拷贝的是“指向对象的指针”,指针指向的地址内容还是同一个,所以改变r1.X将影响r2.X。

装箱和拆箱

  上面一节讲述了C#中值类型和引用类型在行为上是有区别的,值类型的“Box”操作而引发的一系列效率上的讨论。

为什么会有装箱和拆箱操作

  Framework中很多函数的原型被设计成参数为Object,这样就导致了很多值类型需要转换成Object引用类型,从而导致了装箱以及稍后的拆箱操作(当然也有很多原型实现了值类型的参数重载或泛型方法,从而避免装箱/拆箱操作)。

  举一个例子:System.Collection.ArrayList的Add方法原型为public virtual int Add(object value);

  首先将线程栈中p逐字段的复制到托管堆中,并且产生了类型对象指针和同步索引快两个对象,然后将类型对象指针p’返回给Add方法,如下图:

  而新产生的托管堆中的对象完全不依赖于线程栈中原有的对象p,并且两者的生命周期也没有任何关联。

  最后,当我们使用var p =(Point)a[0]的时候,将object转换成Point类型,进行拆箱。进行拆箱的过程与装箱相反:由托管堆中的引用类型复制到线程栈中作为值类型,再使用。

显然,这里的Box和UnBox操作都会对程序的性能产生不利的影响,我们要避免此类问题的发生。

  用IL来给假设证明

Sample One:

        public int RunSample1()        {            var v = 5;            object o = v; //Box            v = 123;            Console.WriteLine(v + ", " + (Int32) o); //Fisrt 'v' boxed, and 'o' boxed.            return v;            #region IL Generate Code            //.method public hidebysig instance void  RunSample1() cil managed            //{            //  // 代码大小       47 (0x2f)            //  .maxstack  3            //  .locals init ([0] int32 v,            //           [1] object o)            //  IL_0000:  nop            //  IL_0001:  ldc.i4.5            //  IL_0002:  stloc.0            //  IL_0003:  ldloc.0            //  IL_0004:  box        [mscorlib]System.Int32            //  IL_0009:  stloc.1            //  IL_000a:  ldc.i4.s   123            //  IL_000c:  stloc.0            //  IL_000d:  ldloc.0            //  IL_000e:  box        [mscorlib]System.Int32            //  IL_0013:  ldstr      ", "            //  IL_0018:  ldloc.1            //  IL_0019:  unbox.any  [mscorlib]System.Int32            //  IL_001e:  box        [mscorlib]System.Int32            //  IL_0023:  call       string [mscorlib]System.String::Concat(object,            //                                                              object,            //                                                              object)            //  IL_0028:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)            //  IL_002d:  nop            //  IL_002e:  ret            //} // end of method BoxAndUnBox::Run            #endregion        }

  从SampleOne中我们得到如下结论:

  1. 值类型v赋值给引用类型o的时候发生了装箱操作,这就是我们所说的当值类型向引用类型转换时产生装箱操作(IL_0004),这是明显的。
  2. System.String.Concat方法在本段代码中是使用了需要三个Object的重载,所以v发生了装箱操作(IL_0023)。
  3. 执行(Int32)o则强制执行了拆箱方法(IL_0019),而最终Concat重载还是需要Object类型,所以会再次对o进行装箱操作(IL_001e)

  Sample Two:

        public Point RunSample2()        {            var p = new Point(1, 1);            Console.WriteLine(p); //Box, show 1,1            p.Offset(2, 2); //Change Point -> 3,3            Console.WriteLine(p); //Box, show 3,3            object o = p; //Box            Console.WriteLine(o); //Show 3,3            ((Point) o).Offset(3, 3); //UnBox and Change Point -> 6,6            Console.WriteLine(o); //Show 3,3            return (Point) o; // UnBox and Copy a instance for return                      #region IL Generate Code            //.method public hidebysig instance valuetype [System.Drawing]System.Drawing.Point             //        RunSample2() cil managed            //{            //  // 代码大小       94 (0x5e)            //  .maxstack  3            //  .locals init ([0] valuetype [System.Drawing]System.Drawing.Point p,            //           [1] object o,            //           [2] valuetype [System.Drawing]System.Drawing.Point CS$1$0000,            //           [3] valuetype [System.Drawing]System.Drawing.Point CS$0$0001)            //  IL_0000:  nop            //  IL_0001:  ldloca.s   p            //  IL_0003:  ldc.i4.1            //  IL_0004:  ldc.i4.1            //  IL_0005:  call       instance void [System.Drawing]System.Drawing.Point::.ctor(int32,            //                                                                                 int32)            //  IL_000a:  nop            //  IL_000b:  ldloc.0            //  IL_000c:  box        [System.Drawing]System.Drawing.Point            //  IL_0011:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(object)            //  IL_0016:  nop            //  IL_0017:  ldloca.s   p            //  IL_0019:  ldc.i4.2            //  IL_001a:  ldc.i4.2            //  IL_001b:  call       instance void [System.Drawing]System.Drawing.Point::Offset(int32,            //                                                                                  int32)            //  IL_0020:  nop            //  IL_0021:  ldloc.0            //  IL_0022:  box        [System.Drawing]System.Drawing.Point            //  IL_0027:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(object)            //  IL_002c:  nop            //  IL_002d:  ldloc.0            //  IL_002e:  box        [System.Drawing]System.Drawing.Point            //  IL_0033:  stloc.1            //  IL_0034:  ldloc.1            //  IL_0035:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(object)            //  IL_003a:  nop            //  IL_003b:  ldloc.1            //  IL_003c:  unbox.any  [System.Drawing]System.Drawing.Point            //  IL_0041:  stloc.3            //  IL_0042:  ldloca.s   CS$0$0001            //  IL_0044:  ldc.i4.3            //  IL_0045:  ldc.i4.3            //  IL_0046:  call       instance void [System.Drawing]System.Drawing.Point::Offset(int32,            //                                                                                  int32)            //  IL_004b:  nop            //  IL_004c:  ldloc.1            //  IL_004d:  call       void [mscorlib]System.Console::WriteLine(object)            //  IL_0052:  nop            //  IL_0053:  ldloc.1            //  IL_0054:  unbox.any  [System.Drawing]System.Drawing.Point            //  IL_0059:  stloc.2            //  IL_005a:  br.s       IL_005c            //  IL_005c:  ldloc.2            //  IL_005d:  ret            //} // end of method BoxAndUnBox::RunSample2            #endregion        }

  结论如下:

  1. 因为Point是值类型,所以进行值拷贝,新对象与旧对象没有任何关系。
  2. Offset方法的原型是Offset(int,int)所以要对引用类型o进行拆箱操作。
  3. 返回值是复制出来的,值类型复制本身,引用类型返回复制后的指针。
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