值类型与引用类型（上）－内存有理

本文将介绍以下内容：

• 类型的基本概念 
• 值类型深入
• 引用类型深入
• 值类型与引用类型的比较及应用

 

1. 引言

买了新本本，忙了好几天系统，终于开始了对值类型和引用类型做个全面的讲述了，本系列开篇之时就是因为想写这个主题，才有了写个系列的想法。所以对值类型和引用类型的分析，是我最想成文的一篇，其原因是过去的学习过程中我就是从这个主题开始，喜欢以IL语言来分析执行，也喜好从底层的过程来深入了解。这对我来说，似乎是一件找到了有效提高的方法，所以想写的冲动就没有停过，旨在以有效的方式来分享所得。同时，我也认为，对值类型和引用类型的把握，是理解语言基础环节的关键主题，有必要花力气来了解和深入。  

2. 一切从内存开始

2.1 基本概念

从上回《第七回：品味类型---从通用类型系统开始》我们知道，CLR支持两种基本类型：值类型和引用类型。因此，还是把MSDN这张经典视图拿出来做个铺垫。

 

值类型（Value Type），值类型实例通常分配在线程的堆栈（stack）上，并且不包含任何指向实例数据的指针，因为变量本身就包含了其实例数据。其在MSDN的定义为值类型直接包含它们的数据，值类型的实例要么在堆栈上，要么内联在结构中。我们由上图可知，值类型主要包括简单类型、结构体类型和枚举类型等。通常声明为以下类型：int、char、float、long、bool、double、struct、enum、short、byte、decimal、sbyte、uint、ulong、ushort等时，该变量即为值类型。  

引用类型（Reference Type），引用类型实例分配在托管堆（managed heap）上，变量保存了实例数据的内存引用。其在MSDN中的定义为引用类型存储对值的内存地址的引用，位于堆上。我们由上图可知，引用类型可以是自描述类型、指针类型或接口类型。而自描述类型进一步细分成数组和类类型。类类型是则可以是用户定义的类、装箱的值类型和委托。通常声明为以下类型：class、interface、delegate、object、string以及其他的自定义引用类型时，该变量即为引用类型。

下面简单的列出我们类型的进一步细分，数据来自MSDN，为的是给我们的概念中有清晰的类型概念，这是最基础也是最必须的内容。

  

2.2 内存深入

2.2.1. 内存机制

那么.NET的内存分配机制如何呢？

数据在内存中的分配位置，取决于该变量的数据类型。由上可知，值类型通常分配在线程的堆栈上，而引用类型通常分配在托管堆上，由GC来控制其回收。例如，现在有MyStruct和MyClass分别代表一个结构体和一个类，如下：

using  System;

public   class  Test
{
     static   void  Main()
    {
         // 定义值类型和引用类型，并完成初始化
        MyStruct myStruct  =   new  MyStruct();
        MyClass myClass  =   new  MyClass();
        
         // 定义另一个值类型和引用类型，
         // 以便了解其内存区别
        MyStruct myStruct2  =   new  MyStruct();
        myStruct2  =  myStruct;
        
        MyClass myClass2  =   new  MyClass();
        myClass2  =  myClass;        
    }
}

在上述的过程中，我们分别定义了值类型变量myStruct和引用类型变量myClass，并使用new操作符完成内存分配和初始化操作，此处new的区别可以详见《第五回：深入浅出关键字---把new说透》  的论述，在此不做进一步描述。而我们在此强调的是myStruct和myClass两个变量在内存分配方面的区别，还是以一个简明的图来展示一下：

 

我们知道，每个变量或者程序都有其堆栈，不同的变量不能共有同一个堆栈地址，因此myStruct和myStruct2在堆栈中一定占用了不同的堆栈地址，尽管经过了变量的传递，实际的内存还是分配在不同的地址上，如果我们再对myStruct2变量改变时，显然不会影响到myStruct的数据。从图中我们还可以显而易见的看出，myStruct在堆栈中包含其实例数据，而myClass在堆栈中只是保存了其实例数据的引用地址，实际的数据保存在托管堆中。因此，就有可能不同的变量保存了同一地址的数据引用，当数据从一个引用类型变量传递到另一个相同类型的引用类型变量时，传递的是其引用地址而不是实际的数据，因此一个变量的改变会影响另一个变量的值。从上面的分析就可以明白的知道这样一个简单的道理：值类型和引用类型在内存中的分配区别是决定其应用不同的根本原因，由此我们就可以很容易的解释为什么参数传递时，按值传递不会改变形参值，而按址传递会改变行参的值，道理正在于此。 

对于内存分配的更详细位置，可以描述如下:

• 值类型变量做为局部变量时，该实例将被创建在堆栈上；而如果值类型变量作为类型的成员变量时，它将作为类型实例数据的一部分，同该类型的其他字段都保存在托管堆上，这点我们将在接下来的嵌套结构部分来详细说明。
• 引用类型变量数据保存在托管堆上，但是根据实例的大小有所区别，如下：如果实例的大小小于85000Byte时，则该实例将创建在GC堆上；而当实例大小大于等于85000byte时，则该实例创建在LOH（Large Object Heap）堆上。

更详细的分析，我推荐《类型实例的创建位置、托管对象在托管堆上的结构》。

2.2.2. 嵌套结构 

嵌套结构就是在值类型中嵌套定义了引用类型，或者在引用类型变量中嵌套定义了值类型，相信园子中关于这一话题的论述和关注都不是很多。因此我们很有必要发挥一下，在此就顺藤摸瓜，从上文对.NET的内存机制着手来理解会水到渠成。

• 引用类型嵌套值类型

值类型如果嵌套在引用类型时，也就是值类型在内联的结构中时，其内存分配是什么样子呢？ 其实很简单，例如类的私有字段如果为值类型，那它作为引用类型实例的一部分，也分配在托管堆上。例如：

public   class  NestedValueinRef
{ 
   // aInt做为引用类型的一部分将分配在托管堆上 
   private   int  aInt;  
   public  NestedValueinRef 
  { 
     // aChar则分配在该段代码的线程栈上 
      char  achar  =   ' a ' ; 
  } 
} 

其内存分配图可以表示为：

  

•  值类型嵌套引用类型

引用类型嵌套在值类型时，内存的分配情况为：该引用类型将作为值类型的成员变量，堆栈上将保存该成员的引用，而成员的实际数据还是保存在托管堆中。例如：

public   struct  NestedRefinValue
{
     public  MyClass myClass;
     public  NestedRefinValue
    {
        myClass.X  =   1 ;
        myClass.Y  =   2 ;
    }
}

其内存分配图可以表示为：

 

2.2.3. 一个简单的讨论

通过上面的分析，如果我们现在有如下的执行时：

AType[] myType = new AType[10];

试问：如果AType是值类型，则分配了多少内存；而如果AType是引用类型时，又分配了多少内存？

我们的分析如下：根据CRL的内存机制，我们知道如果ATpye为Int32类型，则表示其元素是值类型，而数组本身为引用类型，myType将保存指向托管堆中的一块大小为4×10byte的内存地址，并且将所有的元素赋值为0；而如果AType为自定义的引用类型，则会只做一次内存分配，在线程的堆栈创建了一个指向托管堆的引用，而所有的元素被设置为null值，表示为空。