C#中的基元類型、值類型和引用類型

C# 中的基元類型、值類型和引用類型

1. 基元類型(Primitive Type)

　　編譯器直接支持的類型稱為基元類型。基元類型可以直接映射到 FCL 中存在的類型。例如，int a = 10 中的 int 就是基元類型，其對應着 FCL 中的 System.Int32,上面的代碼你完全可以寫作System.Int32 a = 10,編譯器將生成完全形同的 IL,也可以理解為 C# 編譯器為源代碼文件中添加了 using int = System.Int32。

1.1 基元類型的算術運算的溢出檢測

　　對基元類型的多數算術運算都可能發生溢出，例如

byte a = 200;
byte b = (Byte)(a + 100);//b 現在為 4

　　上面代碼生成的 IL 如下

　　從中我們可以看出，在計算之前兩個運算數都被擴展稱為了32位，然后加在一起是一個32位的值(十進制300),該值在存到b之前又被轉換為了Byte。C# 中的溢出檢查默認是關閉的，所以上面的運算並不會拋出異常或產生錯誤，也就是說編譯器生成 IL 時，默認選擇加、減、乘以及轉換操作的無溢出檢查版本(如上圖中的 add 命令以及conv.u1都是沒有進行溢出檢查的命令，其對應的溢出檢查版本分別為add.ovf和conv.ovf)，這樣可以使得代碼快速的運行，但前提是開發人員必須保證不發生溢出，或者代碼能夠預見溢出。
　　C#中控制溢出，可以通過兩種方式來實現，一種全局設置，一種是局部控制。全局設置可以通過編譯器的 /checked 開關來設置，局部檢查可以使用 checked/unchecked 運算符來對某一代碼塊來進行設置。進行溢出檢查后如果發生溢出，會拋出 System.OverflowException 異常。通過上述設置后編譯器編譯代碼時會使用加、減、乘和轉換指令的溢出檢查版本。這樣生成的代碼在執行時要稍慢一些，因為 CLR 要檢查這些運算是否發生溢出。
　　使用溢出檢查

checked{
             byte a = 200;
             byte b = (Byte)(a + 100);
        }
        //亦可以通過下面的方式來實現
        // byte b = checked((Byte)(a + 100));

最佳實踐: 在開發程序時打開 /checked+ 開關進行調試性生成，這樣系統會對沒有顯式標記為 checked 或 unchecked 的代碼進行溢出檢查，此時發生異常便可以輕松捕捉到，及時修正代碼中的錯誤 ，正式發布時使用編譯器的 /checked- 開關，確保代碼能夠快速運行，不會產生溢出異常。

2. 值類型和引用類型

　　CLR 支持兩種類型：值類型和引用類型，下面引用 MSDN 對兩者的定義：
　　

2.1　值類型

　　值類型直接包含它的數據，值類型的實例要么在堆棧上，要么在內聯結構中。與引用類型相比，值類型更為"輕"，因為它們不需要在托管堆上分配內存，亦不受垃圾回收器的控制，無需進行垃圾回收，C#中的值類型都派生自System.ValueType ,值類型主要包括兩種類型：結構 和 枚舉， 結構可以分為以下幾類：

1. 數值類型
2. bool 類型
3. char 類型
4. 用戶自定義的結構

　　值類型的特點：

1. 所有的值類型都直接或間接的派生自 System.ValueType
2. 值類型都是隱式密封的，即不能從其它任何類型繼承，也不能派生出任何的類型，目的是防止將值類型用作其它引用類型的基類型。
3. 將值類型賦值給另外一個值類型的變量時，會逐字段進行復制。
4. 每種值類型都有一個默認的構造函數來初始化該類型的默認值。

　　自定義類型時，什么情況下適合將類型定義為值類型？

1. 類型具有基元類型的特點，即該類型十分簡單，沒有成員會修改類型的任何實例字段
2. 類型不需要從其它類型繼承，亦不派生出任何的類型
3. 類型的實例字段較小(16字節或更小)
4. 類型的實例較大(大於16字節)，但不作為方法的實參傳遞，也不從方法返回。

　　對於后兩點是因為實參默認以傳值的方式進行傳遞，造成對值類型中的字段進行復制，造成性能上的損害。被定義為返回一個值類型的方法返回時，實例中的字段會復制到調用者的分配的內存中，對性能造成損害。

值類型的裝箱和拆箱

　　裝箱：將值類型轉換為引用類型的過程稱為 裝箱(Box).
　　對值類型實例進行裝箱時所發生的事情如下所示：
　　1. 在托管堆中分配內存。分配的內存量是值類型各字段所需的內存量，還要加上托管堆所有對象都有的兩個額外成員(類型對象指針和同步塊索引)所需的內處量。
　　2. 值類型的字段復制到新分配的堆內存中
　　3. 返回對象的地址。現在該地址是對象的引用；值類型變成了引用類型。

注意
　　由於值類型的裝箱需要在托管堆上分配內存，因此是較為耗費性能的，應盡量避免進行過多的裝箱操作。因此許多的方法會有多個重載，目的就是減少常用值類型的發生裝箱的次數；如果知道自己的代碼造成編譯器對一個值類型進行多次重復的裝箱，可以采用手動方式進行裝箱，這樣的代碼會更小、更快；在定義自己的類型時，可以將類型中的方法定義為泛型，這樣方法便可以獲取所有的類型，從而不必對值類型進行裝箱。

　　下面通過例子對裝箱進行說明

    int v = 20;//創建未裝箱值類型變量
    object o = v;//ｖ　引用已裝箱、包含值20的int32
    v = 123;//將未裝箱的值修改為123
    Console.WriteLine(v + "," + (int)o);//輸出 "123,20"
    正常情況下這里不應該這么寫，因為會導致編譯器發生一次多余的拆箱和裝箱操作，而應該
    Console.WriteLine(v+","+o);

上面代碼編譯出的 IL 如下所示：

     .entrypoint
    .maxstack 3
    .locals init (
        [0] int32 num,
        [1] object obj2)
    L_0000: nop 
    L_0001: ldc.i4.s 20
    L_0003: stloc.0 
    L_0004: ldloc.0 
    L_0005: box [System.Runtime]System.Int32
    L_000a: stloc.1 
    L_000b: ldc.i4.s 0x7b
    L_000d: stloc.0 
    L_000e: ldloc.0 
    L_000f: box [System.Runtime]System.Int32
    L_0014: ldstr ","
    L_0019: ldloc.1 
    L_001a: unbox.any [System.Runtime]System.Int32
    L_001f: box [System.Runtime]System.Int32
    L_0024: call string [System.Runtime]System.String::Concat(object, object, object)
    L_0029: call void [System.Console]System.Console::WriteLine(string)
    L_002e: nop 
    L_002f: ret 

　　通過觀察上述 IL 可以看出 box 指令出現了三次，說明上述代碼在編譯過程中發生了三次裝箱。　　
　　首先在棧上創建一個　Int 32 的未裝箱值類型實例v,將其初始化為20，再創建 object 類型的變量o，讓它指向v,但由於引用類型的變量始終指向堆中的對象，因此 C# 會生成代碼對v進行裝箱，將v裝箱的副本的地址存儲到o中。這里進行了第一次裝箱。
　　 接着調用 WriteLine 方法，該方法要求一個 string 類型的參數，但這里沒有 string 對象，只有三個數據項：未裝箱的 Int32 值類型的實例v，一個字符串，一個對已裝箱 Int 32 值類型實例的引用o，它要轉換為值類型的 Int32，為了創建一個 string 對象，C#編譯器調用 String 的 Concat 方法，由於具有三個參數，因此編譯器調用 Concat 方法的如下版本的重載：Concat(Object arg0,Object arg1,Object arg2),為第一個參數傳遞的是v，這是一個未裝箱的值參數，因此必須對v進行裝箱，這是第二次裝箱，第二個參數傳遞的是“，”，作為String 對象引用傳遞，對於第三個參數 arg2,o 會被轉型為 Int 32，這要求進行拆箱操作，從而獲取包含在已裝箱的 Int 32 中未裝箱的 Int 32 的地址，然后這個未裝箱的值類型必須再次被裝箱，這是第三次裝箱。

注意：雖然未裝箱的值類型沒有類型對象指針，但仍然可以調用由類型繼承或重寫的虛方法(如ToString，GetHashCode,Equals),並且此時並不會對值類型進行裝箱操作。但在調用非虛的、繼承的方法(GetType 或 MemberwiseClone) 時，無論如何都會對值類型進行裝箱。因為這些方法由System.Object 定義，要求 this 實參是一個指向堆對象的指針。此外，將值類型轉換為類型的某個接口時要對實例進行裝箱。因為接口變量必須包括對堆對象的引用。

　　拆箱: Object 向值類型或接口類型向實現了該接口的值類型的顯式轉換稱為拆箱(UnBox)
　　相對裝箱，拆箱的代價要比裝箱低的多。注意，拆箱並不是裝箱的逆過程，拆箱就是獲取指針(地址)的過程，該指針指向對象中的原始值類型(數據字段).拆箱時內部發生了如下的事情：
　　1. 如果包含“對已裝箱值類型實例的引用”的變量為 Null 時，拋出 NullReferenceException　的異常。
　　2. 如果引用的對象不是值類型的已裝箱實例，拋出 InvalidCaseException 的異常。
　　3. 如果前面兩步都沒有問題，那么將該值從實例復制到值類型的變量中。　
　　

2.2 　引用類型

　　C# 中所有的引用類型總是從托管堆分配(初始化新進程時，CLR會為進程保留一個連續的地址空間區域，該區域稱為托管堆),C#的 new 運算符返回對象的內存地址-即指向對象數據的內存地址。使用new運算符創建對象的過程如下：

1. 計算類型及其所有基類型(直到System.Object)中定義的所有的實例字段所需的字節數。堆上的對象都需要一些額外的成員(OverHead),包括類型對象指針(Type Object Pointer)和同步塊索引(sync block index),CLR 利用這些成員管理對象。額外成員的字節數要記入對象的大小。
2. 從托管堆中分配對象所需要的字節數。從而分配對象的內存，分配的所有字節都設為0
3. 初始化對象的類型對象指針和同步塊索引。
4. 調用類型的實例構造器。傳遞在調用new中指定的實參(如果有的話)，大多數編譯器會在構造器中自動生成代碼調用基類的構造器。每個類型的構造器都負責初始化該類型定義的實例字段。最終調用 System.Object 的構造器，該構造器什么都不做，只是簡單的返回。

　　執行完上訴的過程后 new 操作符會返回一個新建對象的引用或指針。
　　那么創建引用類型的實例，是否必需調用構造函數呢？答案是否定的，在調用對象的 MemberwiseClone 方法進行對象的復制時，並不會調用類型的構造方法。該方法的作用在於分配內存,初始化附加字段，然后將原類型的字節數據復制到新的對象中。另外,在進行反序列化操作生成對象的實例時，也不會調用類型的構造函數。