C# 引用類型、值類型

CLR支持兩種類型：引用類型和值類型，它們的區別是在內存分配方式上的差異：引用類型是從托管堆上分配的；值類型是在線程棧上分配的。而CLR的垃圾回收是針對托管堆的，因此值類型不受垃圾回收器的控製。

在FCL中，所有稱為“結構”（struct）的類型都是值類型，所有稱為“類”（class）的類型都是引用類型。所有的Struct都直接派生自抽象類System.ValueType，而System.ValueType直接從System.Object派生。所有的枚舉都直接從System.Enum派生，而後者又派生自System.ValueType，所以枚舉也是值類型。由於CLR的單繼承規則，所以我們在定義值類型時，不能指定基類型，但可以實現接口。同時從下圖生成的IL也可以看出，值類型是隱式密封的（sealed），也就是說也不能從值類型派生。

雖然引用類型與值類型實質隻是內存分配上的差異，但這種差異會導致兩種類型在行為表現上有著明顯不同，比如下麵的例子：

    struct ValType { public int x;}
    class RefType { public int x;}

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ValType v1 = new ValType(); //在棧上分配內存
            RefType r1 = new RefType(); //在堆上分配內存

            v1.x = 2;
            r1.x = 2;
            //執行到這裏，內存結構請見圖1

            Console.WriteLine(v1.x);   //2
            Console.WriteLine(r1.x);   //2

            ValType v2 = v1;    //在棧上分配內存（v2），並把v1棧的內容複製到v2
            RefType r2 = r1;    //把r1的堆地址複製給r2

            v2.x = 5;   //隻改變v2棧的內容
            r2.x = 5;   //由於r2和r1都引用同一個堆上的對象，改變r2也會改變r1
            //執行到這裏，內存結構請見圖2

            Console.WriteLine(v1.x);    //2
            Console.WriteLine(r1.x);    //5 注意這裏變成了r2修改後的值
            Console.WriteLine(v2.x);    //5
            Console.WriteLine(r2.x);    //5

            Console.ReadKey();
        }
    }

首先我們定義一個一值類型與一個引用類型，內部都隻有一個字段。用new操作符分配內存時，值類型v1的內存分配在了線程棧上，引用類型r1的內存分配在了托管堆上，在程序運行到第一次WriteLine輸出時，看到的結果是一致的。但接下來聲明兩個新的對象並執行賦值時，這裏的發生的事明顯不同：雖然賦值操作都是拷貝線程棧上變量的內容，但由於值類型變量v1的棧內容就是ValType類型實例本身，而引用類型r1的棧內容是RefType對象實例在堆上的地址。所以賦值後的結果就是，v1和v2各保存了一份ValType類型實例，而r1和r2保存了同一塊堆內存的地址。所以改變r2對象導致了r1對象的隨同改變。下麵是內存示意圖：

圖1

圖2 

雖然值類型實例不需要垃圾回收，但由於值類型在傳遞時，傳遞的是內容本身，所以並不適合將所一些實例較大的類型定義為值類型。實現上除非滿足以下所有條件，否則不應該將一個類型聲明為值類型。

• 沒有更改其字段的成員，即該類型是不可變的。（建議所有字段為readonly）
• 類型不需要從其他任何類型繼承。（值類型不能選擇基類）
• 類型也不會派生出其他任何類型。（所有的值類型都是隱式密封sealed的）
• 實例較小（約<=16Byte）或較大但不作為方法實參傳遞，也不從方法返回。

值類型的裝箱與拆箱

將值類型轉換成一個引用類型的過程叫裝箱，整個過程看起來是這樣的：

1. 在托管堆中分配好內存，分配的內存量=值類型的各個字段所需的內存量+所有堆上對象都有的兩個額外成員（類型對象指針和同步塊索引）所需的內存量。
2. 值類型的字段複製到新分配的內存。
3. 返回對象的地址。

拆箱僅是獲取一個指針的過程，該指針指向包含在一個對象中的原始值類型（數據字段）。雖然拆箱比裝箱代價低，但實際在拆箱之後往往緊接著就是賦值操作（內存複製）。顯然裝箱和拆箱/複製會對應用程序的速度與內存消耗上產生不利影響，所以應該了解到這一點，並盡量避免裝箱和拆箱操作。那麼什麼時候會發生裝箱和拆箱，最直觀的方法就是看生成的IL代碼（IL對應指令是分別是box與unbox），比如下麵的例子：

示例中ArrayList的Add方法參數是Object類型，也就是說一個引用類型（在堆上分配的內存），當我們傳遞int類型時，這裏便會將int實例裝箱，以返回一個堆上的地址。在將array[0]強製轉型為int時，由於值類型int的對象是在線程棧上分配的，所以這裏拆箱並緊接著發生賦值（內存複製）操作。同時為了對比，我加了引用類型的reference，可以看出引用類型是不會發生裝箱與拆箱的。

那麼如何避免（或減少）裝箱與拆箱：

• 盡量使用泛型集合。
• 盡量將裝箱與拆箱操作移到循環體之外。
• 定義一個方法如果可接收引用類型或值類型時，盡量不要將參數定義為object，可以考慮通過重載定義多個版本或定義泛型方法。