.NET中的值類型與引用類型

這是一個常見面試題，值類型(Value Type)和引用類型(Reference Type)有什么區別？他們性能方面有什么區別？

TL;DR（先看結論）

	值類型	引用類型
創建位置	棧	托管堆
賦值時	復制值	復制引用
動態內存分配	無	需要分配內存
額外內存消耗	無	32位：額外12字節；64位：24字節
內存分布	連續	分散

引用類型

常用的引用類型代碼示例：

void Main()
{
    // 開始計數器
    var sw = Stopwatch.StartNew();
    long memory1 = GC.GetAllocatedBytesForCurrentThread();
    // 創建C16
    Span<B16> data = new B16[40_0000];
    foreach (ref B16 item in data)
    {
        item = new B16();
        item.V15.V15.V0 = 1;
    }
    long sum = 0; // 求和以免代碼被優化掉
    for (var i = 0; i < data.Length; ++i)
    {
        sum += data[i].V15.V15.V0;
    }
    // 終止計數器
    sw.Stop();
    long memory2 = GC.GetAllocatedBytesForCurrentThread();
    // 輸出顯示結果
    new { Sum = sum, CreateTime = sw.ElapsedMilliseconds, Memory = memory2 - memory1 }.Dump();
}

class A1
{
    public byte V0;
}

class A16
{
    public A1 V0, V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8, V9, V10, V11, V12, V13, V14, V15;
    public A16()
    {
        V0 = new A1(); V1 = new A1(); V2 = new A1(); V3 = new A1();
        V4 = new A1(); V5 = new A1(); V6 = new A1(); V7 = new A1();
        V8 = new A1(); V9 = new A1(); V10 = new A1(); V11 = new A1();
        V12 = new A1(); V13 = new A1(); V14 = new A1(); V15 = new A1();
    }
}

class B16
{
    public A16 V0, V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8, V9, V10, V11, V12, V13, V14, V15;
    public B16()
    {
        V0 = new A16(); V1 = new A16(); V2 = new A16(); V3 = new A16();
        V4 = new A16(); V5 = new A16(); V6 = new A16(); V7 = new A16();
        V8 = new A16(); V9 = new A16(); V10 = new A16(); V11 = new A16();
        V12 = new A16(); V13 = new A16(); V14 = new A16(); V15 = new A16();
    }
}

這次代碼中，我們創建了40萬個B16類型，然后對這40萬個B16進行了統計，其中：

• A1是一個字節（byte）的class；
• A16是包含16個A1的class；
• B16是包含16個A16的class；

可以計算出，B16=16·A16=16x16·A1=16x16x256 bytes，一共分配了40萬個B16，所以一共有40_0000x256=1_0240_0000 bytes，或約100兆字節。

實際結果輸出

Sum	CreateTime	Memory
40_0000	8_681	3_440_000_304

電腦配置（之后的下文的性能測試結果與此完全相同）：

項目/配置	配置	說明
CPU	E3-1230 v3 @ 3.30GHz	未超頻
內存	24GB DDR3 1600 MHz	8GB x 3
.NET Core	3.0.100-preview7-012821	64位
軟件	LINQPad 6.0.13	64位，optimize+

數字涵義：

• 40萬條數據對1求和，結果是40萬，正確；
• 總花費時間一共需要9417毫秒；
• 總內存開銷約為3.4GB。

請注意看內存開銷，我們預估值是100MB，但實際約為3.4GB，這說明了引用類型需要（較大的）額外內存開銷。

一個空對象 要分配多大的堆內存？

以一個空白引用類型為例，可以寫出如下代碼（LINQPad中運行）：

long m1 = GC.GetAllocatedBytesForCurrentThread();
var obj = new object();
long m2 = GC.GetAllocatedBytesForCurrentThread();
(m2 - m1).Dump();
GC.KeepAlive(obj);

注意GC.KeepAlive是有必要的，否則運行在optimize+環境下會將new object()優化掉。

運行結果：24（在32位系統中，運行結果為：12）

空引用類型（64位）為何要24個字節？

一個引用類型的堆內存包含以下幾個部分：

• 同步塊索引（synchronization block index），8個字節，用於保存大量與CLR相關的元數據，以下基本操作都會用到該內存：
  • 線程同步（lock）
  • 垃圾回收（GC）
  • 哈希值（HashCode）
  • 其它
• 方法表指針（method table pointer），又叫類型對象指針（TypeHandle），8個字節，用來指向類的方法表；
• 實例成員，8字節對齊，沒有任何成員時也需要8個字節。

由於以上幾點，才導致一個空白的object需要24個字節。

• 因為沒有同步塊索引，導致：
  • 值類型不能參與線程同步（lock）
  • 值類型不需要進行垃圾回收（GC）
  • 值類型的哈希值計算過程與引用類型不同（HashCode）
• 因為沒有方法表指針，導致：
  • 值類型不能繼承

值類型的性能

值類型代碼示例

void Main()
{
    // 開始計數器
    var sw = Stopwatch.StartNew();
    long memory1 = GC.GetAllocatedBytesForCurrentThread();
    // 創建C16
    Span<B16> data = new B16[40_0000];
    foreach (ref B16 item in data)
    {
        // item = new B16();
        item.V15.V15.V0 = 1;
    }
    long sum = 0; // 求和以免代碼被優化掉
    for (var i = 0; i < data.Length; ++i)
    {
        sum += data[i].V15.V15.V0;
    }
    // 終止計數器
    sw.Stop();
    long memory2 = GC.GetAllocatedBytesForCurrentThread();
    // 輸出顯示結果
    new { Sum = sum, CreateTime = sw.ElapsedMilliseconds, Memory = memory2 - memory1 }.Dump();
}

struct A1
{
    public byte V0;
}

struct A16
{
    public A1 V0, V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8, V9, V10, V11, V12, V13, V14, V15;
}

struct B16
{
    public A16 V0, V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8, V9, V10, V11, V12, V13, V14, V15;
}

幾乎完全一樣的代碼，區別只有：

• 將所有的class（表示引用類型）關鍵字換成了struct（表示值類型）
• 將item = new B16()語句去掉了（因為值類型創建數組會自動調用默認構造函數）

運行結果

運行結果如下：

Sum	CreateTime	Memory
40_0000	32	102_400_024

注意，分配內存只有102_400_024字節，比我們預估的102_400_000只多了24個字節。這是因為數組也是引用類型，引用類型需要至少24個字節。

比較

	運行時間	時間比	分配內存	內存比
值類型	32	/	102_400_024	/
引用類型	8_681	271.28x	3_440_000_304	33.59x

在這個示例中，將引用類型改成值類型需要多出271倍的時間，和33倍的內存占用。

重新審視值類型

值類型這么好，為什么不全改用值類型呢？

值類型的優點，恰恰也是值類型的缺點，值類型賦值時是復制值，而不是復制引用，而當值比較大時，復制值非常昂貴。

在遠古時代，甚至是沒有動態內存分配的，所以世界上只有值類型。那時為了減少值類型復制，會用變量來保存對象的內存位置，可以說是最早的指針了。

在近代的的C里，除了值類型，還加入了指向動態分配的值類型的指針。其中指針基本可以與引用類型進行類比：

• ✔指針和引用類型的引用，都指向真實的對象內存位置
• ❌動態分配的內存需要手動刪除，引用類型會自動GC回收
• ❌指針指向的內存位置不會變，引用類型指向的內存位置會隨着GC的內存壓縮而產生變化，可用fixed關鍵字臨時禁止內存壓縮
• ❌指針指向的內存沒有額外消耗，引用類型需要分配至少24字節的堆內存

C++為了解決這個問題，也是卯足了勁。先是加入了值引用運算符 &，而后又發布了一版又一版的“智能”指針，如auto_ptr/shared_ptr/unique_ptr。但這些“智能”指針都需要提前了解它的使用場景，如：

• 有對象所有權還是沒有對象所有權？
• 線程安全還是不安全？
• 能否用於賦值？

而且庫與庫之前的版本多樣，不統一，還影響開發的心情。

所以引用類型的優勢就出來了，不用關心對象的所有權，不用關心線程安全，不用關心賦值問題，而且最重要的，還不用關心值類型復制的性能問題。

C#中的值類型支持

引用類型是如此好，以至於平時完全不需要創建值類型，就能完成任務了。但為什么值類型仍然還是這么重要呢？就是因為一旦涉及底層，性能關鍵型的服務器、游戲引擎等等，都需要關心內存分配，都需要使用值類型。

因為只有C#才能不依賴於C/C++等“本機語言”，就可寫出性能關鍵型應用程序。

C#因為有這些和值類型的特性，導致與其它語言（C/C++）相比時完全不虛：

• 首先，C#可以寫自定義值類型
• C# 7.0 值類型Task（ValueTask）：大量異步請求，如讀取流時，可以節省堆內存分配和GC 點擊查看
• C# 7.0 ref返回值/本地變量引用：避免了大值類型內存大量復制的開銷（有點像C++的&關鍵字了） 點擊查看
• C# 7.0 Span<T>和Memory<T>，簡化了ref引用的代碼，甚至讓foreach循環都可以操作修改值類型了 點擊查看
• C# 7.2 加入in修飾符和其它修飾符，相當於C++中的const TypeName& 點擊查看
• C# 8.0 - Preview 5 可Dispose的ref struct，值類型也能使用Dispose模式了 點擊查看

ASP.NET Core曾使用Libuv（基於C語言）作為內部傳輸層，但從ASP.NET Core 2.1之后，換成了用.NET重寫。

最后的話

開發經常拿C#與同樣開發Web應用的其它語言作比較，但由於缺乏對值類型的支持，這些語言沒辦法與C#相比。

其中Java還暫不支持自定義值類型。

推薦書籍：《C#從現象到本質》（郝亦非 著）

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作者：周傑
出處：https://www.cnblogs.com/sdflysha
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