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 = ; // 修改引用类型的值为5
v1.X = ; // 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 = ; // 修改引用类型的值为5
v1.X = ; // 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 = ; // r1.X与r2.X均改变，因为其指向的地址内容相同
v1.X = ; // 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 = ;
object o = v; //Box
v = ;
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：
- 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。
- 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）。
- 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(, );
Console.WriteLine(p); //Box, show 1,1 p.Offset(, ); //Change Point -> 3,3
Console.WriteLine(p); //Box, show 3,3 object o = p; //Box
Console.WriteLine(o); //Show 3,3 ((Point) o).Offset(, ); //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：
- 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。
- 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。
- 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。
SampleThree:
public bool RunSample3()
{
var p = new MyPoint(, ); // Define struct type
object o = p; Console.WriteLine(p.ToString()); // Not Box ((IMyPoint) p).Change(, ); // When turn to interface it should boxed and copy a instance.
Console.WriteLine(p); // Show 1,1 ((IMyPoint) o).Change(, ); // 'o' is a reference type, it not boxed.
Console.WriteLine(o); // Show 2,2 return ((MyPoint) o).x.Equals(p.x); #region IL Generate Code
//.method public hidebysig instance bool RunSample3() cil managed
//{
// // 代码大小 115 (0x73)
// .maxstack 3
// .locals init ([0] valuetype Demo_CLRVIACSHARP.MyPoint p,
// [1] object o,
// [2] bool CS$1$0000,
// [3] int32 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 Demo_CLRVIACSHARP.MyPoint::.ctor(int32,
// int32)
// IL_000a: nop
// IL_000b: ldloc.0
// IL_000c: box Demo_CLRVIACSHARP.MyPoint
// IL_0011: stloc.1
// IL_0012: ldloca.s p
// IL_0014: constrained. Demo_CLRVIACSHARP.MyPoint
// IL_001a: callvirt instance string [mscorlib]System.Object::ToString()
// IL_001f: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
// IL_0024: nop
// IL_0025: ldloc.0
// IL_0026: box Demo_CLRVIACSHARP.MyPoint
// IL_002b: ldc.i4.2
// IL_002c: ldc.i4.2
// IL_002d: callvirt instance void Demo_CLRVIACSHARP.IMyPoint::Change(int32,
// int32)
// IL_0032: nop
// IL_0033: ldloc.0
// IL_0034: box Demo_CLRVIACSHARP.MyPoint
// IL_0039: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(object)
// IL_003e: nop
// IL_003f: ldloc.1
// IL_0040: castclass Demo_CLRVIACSHARP.IMyPoint
// IL_0045: ldc.i4.2
// IL_0046: ldc.i4.2
// IL_0047: callvirt instance void Demo_CLRVIACSHARP.IMyPoint::Change(int32,
// int32)
// IL_004c: nop
// IL_004d: ldloc.1
// IL_004e: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(object)
// IL_0053: nop
// IL_0054: ldloc.1
// IL_0055: unbox.any Demo_CLRVIACSHARP.MyPoint
// IL_005a: ldfld int32 Demo_CLRVIACSHARP.MyPoint::x
// IL_005f: stloc.3
// IL_0060: ldloca.s CS$0$0001
// IL_0062: ldloca.s p
// IL_0064: ldfld int32 Demo_CLRVIACSHARP.MyPoint::x
// IL_0069: call instance bool [mscorlib]System.Int32::Equals(int32)
// IL_006e: stloc.2
// IL_006f: br.s IL_0071
// IL_0071: ldloc.2
// IL_0072: ret
//} // end of method BoxAndUnBox::RunSample3
#endregion
}
结论如下：
- 转换成接口后会导致装箱。
- 值类型的ToString方法不发生装箱，效率更高。
总结
- 只有值类型会发生装箱和拆箱操作。
- 当值类型作为参数时，要看方法的原型是否需求的是Object，如果是则装箱，否则不装箱。
- 系统的值类型实现了ToString的重载，所以不装箱，效率高。
- 值类型转换成接口后发生装箱操作。
欢迎各位看官拍砖～～～
Update：
2015.04.16 13:23 看了评论后我崩溃了~~~这里也有我的原因，因为写了之前的《C#堆vs栈》系列，所以在本文中，没有过多的解释过程，而是直接以结论和总结代替之，本文最终想表达的观点是：要从对象的存储位置来分析值类型和引用类型的行为，便于我们掌握值类型和引用类型。哪些说我将值类型在栈上，引用类型在堆上的观点，请你们好好读一读文章，不要望文生义。
2015.04.16 15:41 最终我觉得是我范了以偏概全的错误，将堆上被封装为引用类型（Box操作）的对象表现为引用行为，就得出“存储位置不同，其表现行为也不同，最终更好的理解值类型与引用类型”的结论，而忽略了在堆上直接被引用类型所包含的值类型的行为。
2015.04.16 16:13 最后以Eric Lippert的解释来做最后的总结吧
英文：http://blogs.msdn.com/b/ericlippert/archive/2010/09/30/the-truth-about-value-types.aspx
中文：http://www.cnblogs.com/kirinboy/archive/2012/06/15/value-and-reference-in-csharp-2.html
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