C#中有哪些引用類型

本篇文章為大家展示了C#中有哪些引用類型，內(nèi)容簡明扼要并且容易理解，絕對能使你眼前一亮，通過這篇文章的詳細(xì)介紹希望你能有所收獲。

C#引用類型和值類型的區(qū)別——值類型和引用類型在內(nèi)存中的部署

經(jīng)常聽說，并且經(jīng)常在書上看到：值類型部署在棧上，引用類型部署在托管堆上。實(shí)際上并沒有這么簡單。

MSDN上說：托管堆上部署了所有引用類型。這很容易理解。當(dāng)創(chuàng)建一個應(yīng)用類型變量時：

object reference = new object();

關(guān)鍵字new將在托管堆上分配內(nèi)存空間，并返回一個該內(nèi)存空間的地址。左邊的reference位于棧上，是一個引用，存儲著一個內(nèi)存地址；而這個地址指向的內(nèi)存（位于托管堆）里存儲著其內(nèi)容（一個System.Object的實(shí)例）。下面為了方便，簡稱引用類型部署在托管推上。

再來看值類型。《C#語言規(guī)范》上的措辭是“結(jié)構(gòu)體不要求在堆上分配內(nèi)存（However, unlike classes, structs are value types and do not require heap allocation）”而不是“結(jié)構(gòu)體在棧上分配內(nèi)存”。這不免容易讓人感到困惑：值類型究竟部署在什么地方？

數(shù)組

考慮數(shù)組：

int[] reference = new int[100];

根據(jù)定義，數(shù)組都是引用類型，所以int數(shù)組當(dāng)然是引用類型（即reference.GetType().IsValueType為false）。

而int數(shù)組的元素都是int，根據(jù)定義，int是值類型（即reference[i].GetType().IsValueType為true）。那么引用類型數(shù)組中的值類型元素究竟位于棧還是堆？

如果用WinDbg去看reference[i]在內(nèi)存中的具體位置，就會發(fā)現(xiàn)它們并不在棧上，而是在托管堆上。

實(shí)際上，對于數(shù)組：

TestType[] testTypes = new TestType[100];

如果TestType是值類型，則會一次在托管堆上為100個值類型的元素分配存儲空間，并自動初始化這100個元素，將這100個元素存儲到這塊內(nèi)存里。

如果TestType是引用類型，則會先在托管堆為testTypes分配一次空間，并且這時不會自動初始化任何元素（即testTypes[i]均為null）。等到以后有代碼初始化某個元素的時候，這個引用類型元素的存儲空間才會被分配在托管堆上。

類型嵌套

更容易讓人困惑的是引用類型包含值類型，以及值類型包含引用類型的情況：

public class ReferenceTypeClass  {      private int _valueTypeField;      public ReferenceTypeClass()       {           _valueTypeField = 0;       }      public void Method()       {          int valueTypeLocalVariable = 0;       }  }  ReferenceTypeClass referenceTypeClassInstance = new ReferenceTypeClass();//Where is _valueTypeField?  referenceTypeClassInstance.Method();//Where is valueTypeLocalVariable?   public struct ValueTypeStruct  {      private object _referenceTypeField;      public void Method()       {           _referenceTypeField = new object();          object referenceTypeLocalVariable = new object();       }  }  ValueTypeStruct valueTypeStructInstance = new ValueTypeStruct();  valueTypeStructInstance.Method();//Where is _referenceTypeField？And where is referenceTypeLocalVariable?

單看valueTypeStructInstance，這是一個結(jié)構(gòu)體實(shí)例，感覺似乎是整塊扔到棧上的。但是字段_referenceTypeField是引用類型，局部變量referenceTypeLocalVarible也是引用類型。

referenceTypeClassInstance也有同樣的問題，referenceTypeClassInstance本身是引用類型，似乎應(yīng)該整塊部署在托管堆上。但字段_valueTypeField是值類型，局部變量valueTypeLocalVariable也是值類型，它們究竟是在棧上還是在托管堆上？

規(guī)律是：

引用類型部署在托管堆上； 值類型總是分配在它聲明的地方：作為字段時，跟隨其所屬的變量（實(shí)例）存儲；作為局部變量時，存儲在棧上。 我們來分析一下上面的代碼。

對于引用類型實(shí)例，即referenceTypeClassInstance：

從上下文看，referenceTypeClassInstance是一個局部變量，所以部署在托管堆上，并被棧上的一個引用所持有； 值類型字段_valueTypeField屬于引用類型實(shí)例referenceTypeClassInstance的一部分，所以跟隨引用類型實(shí)例referenceTypeClassInstance部署在托管堆上（有點(diǎn)類似于數(shù)組的情形）；

valueTypeLocalVariable是值類型局部變量，所以部署在棧上。

而對于值類型實(shí)例，即valueTypeStruct：

根據(jù)上下文，值類型實(shí)例valueTypeStructInstance本身是一個局部變量而不是字段，所以位于棧上； 其引用類型字段_referenceTypeField不存在跟隨的問題，必然部署在托管堆上，并被一個引用所持有（該引用是valueTypeStruct的一部分，位于棧）； 其引用類型局部變量referenceTypeLocalVariable顯然部署在托管堆上，并被一個位于棧的引用所持有。 所以，簡單地說“值類型存儲在棧上，引用類型存儲在托管堆上”是不對的。必須具體情況具體分析。

C#引用類型和值類型的區(qū)別——正確使用值類型和引用類型

這一部分主要參考《Effective C#》，并非本人原創(chuàng)，希望能讓你加深對值類型和引用類型的理解。辨明值類型和引用類型的使用場合C#中，我們用struct/class來聲明一個類型為值類型/引用類型。

考慮下面的例子：

TestType[] testTypes = new TestType[100];

如果TestTye是值類型，則只需要一次分配，大小為TestTye的100倍。而如果TestTye是引用類型，剛開始需要100次分配，分配后數(shù)組的各元素值為null，然后再初始化100個元素，結(jié)果總共需要進(jìn)行101次分配。這將消耗更多的時間，造成更多的內(nèi)存碎片。所以，如果類型的職責(zé)主要是存儲數(shù)據(jù)，值類型比較合適。

一般來說，值類型（不支持多態(tài)）適合存儲供 C#應(yīng)用程序操作的數(shù)據(jù)，而引用類型（支持多態(tài)）應(yīng)該用于定義應(yīng)用程序的行為。

通常我們創(chuàng)建的引用類型總是多于值類型。如果以下問題的回答都為yes，那么我們就應(yīng)該創(chuàng)建為值類型：

該類型的主要職責(zé)是否用于數(shù)據(jù)存儲？ 該類型的共有借口是否完全由一些數(shù)據(jù)成員存取屬性定義？ 是否確信該類型永遠(yuǎn)不可能有子類？ 是否確信該類型永遠(yuǎn)不可能具有多態(tài)行為？ 將值類型盡可能實(shí)現(xiàn)為具有常量性和原子性的類型

具有常量性的類型很簡單：

如果構(gòu)造的時候驗證了參數(shù)的有效性，之后就一直有效； 省去了許多錯誤檢查，因為禁止更改； 確保線程安全，因為多個reader訪問到同樣的內(nèi)容； 可以安全地暴露給外界，因為調(diào)用者不能更改對象的內(nèi)部狀態(tài)。 具有原子性的類型都是單一的實(shí)體，我們通常會直接替換一個原子類型的整個內(nèi)容。

下面是一個典型的可變類型：

public struct Address  {      private string _city;      private string _province;      private int _zipCode;      public string City       {          get { return _city; }          set { _city = value; }       }      public string Province       {          get { return _province; }          set          {               ValidateProvince(value);               _province = value;           }       }      public int ZipCode       {          get { return _zipCode; }          set          {               ValidateZipCode(value);               _zipCode = value;           }       }  }

下面創(chuàng)建一個實(shí)例：

Address address = new Address();  address.City = "Chengdu";  address.Province = "Sichuan";  address.ZipCode = 610000;

然后更改這個實(shí)例：

address.City = "Nanjing"; //Now Province and ZipCode are invalid  address.ZipCode = 210000; //Now Province is still invalid  address.Province = "Jiangsu";

可見，內(nèi)部狀態(tài)的改變意味著可能違反對象的不變式（invariant），至少是臨時的違反。如果上面是一個多線程的程序，那么在 City更改的過程中，另一個線程可能看到不一致的數(shù)據(jù)視圖。如果不是多線程的程序，也有問題：

當(dāng)ZipCode的值無效而拋出異常時，對象僅作了一部分改變，因此處于無效的狀態(tài)，為了修復(fù)這個問題，需要在Address中添加相當(dāng)多的內(nèi)部校驗代碼；

為了實(shí)現(xiàn)異常安全，我們需要在所有改變多個字段的客戶代碼處放上防御性的代碼；

線程安全也要求我們在每一個屬性的訪問器上添加線程同步檢查。

顯然，這是一個相當(dāng)可觀的工作量。下面我們把Address實(shí)現(xiàn)為常量類型：

public struct Address  {      private string _city;      private string _province;      private int _zipCode;      public Address (string city, string province, int zipCode)       {           _city = city;           _province = province;           _zipCode = zipCode;           ValidateProvince(province);           ValidateZipCode(zipCode);       }      public string City       {          get { return _city; }       }      public string Province       {          get { return _province; }       }      public int ZipCode       {          get { return _zipCode; }       }  }

如果要改變Address，不能修改現(xiàn)有的實(shí)例，只能創(chuàng)建一個新的實(shí)例：

Address address = new Address("Chengdu", "Sichuan", 610000);//create a instance  address = new Address("Nanjing", "Jiangsu", 210000);//modify the instance

address將不存在任何無效的臨時狀態(tài)。那些臨時狀態(tài)只存在于Address的構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行過程中。這樣一來，Address是異常安全的，也是線程安全的。

確保0為值類型的有效狀態(tài)

.NET的默認(rèn)初始化機(jī)制會將引用類型設(shè)置為二進(jìn)制意義上的0，即null。而對于值類型，不論我們是否提供構(gòu)造函數(shù)，都會有一個默認(rèn)的構(gòu)造函數(shù)，將其設(shè)置為0。

一種典型的情況是枚舉：

public enum Sex  {       Male = 1;       Female = 2;  }

然后用做值類型的成員：

public struct Employee  {      private Sex _sex;      //other  }

創(chuàng)建Employee結(jié)構(gòu)體將得到一個無效的Sex字段：

Employee employee = new Employee ();

employee的_sex是無效的，因為其為0。我們應(yīng)該將0作為一個為初始化的值明確表示出來：

public Sex  {       None = 0;       Male = 1;       Female = 2;  }

如果值類型中包含引用類型，會出現(xiàn)另一種初始化問題：

public struct ErrorLog  {      private string _message;      //other  }

然后創(chuàng)建一個ErrorLog：

ErrorLog errorLog = new ErrorLog ();

errorLog的_message字段將是一個空引用。我們應(yīng)該通過一個屬性來將_message暴露給客戶代碼，從而使該問題限定在ErrorLog 的內(nèi)部：

public struct ErrorLog  {      private string _message;      public string Message       {          get          {              return (_message ! = null) ? _message : string.Empty;           }          set { _message = value; }       }      //other  }

盡量減少裝箱和拆箱

裝箱指把一個值類型放入一個未具名類型的引用類型中，比如：

int valueType = 0;  object referenceType = i;//boxing

拆箱則是從前面的裝箱對象中取出值類型：

object referenceType;  int valueType = (int)referenceType;//unboxing

裝箱和拆箱是比較耗費(fèi)性能的，還會引入一些詭異的bug，我們應(yīng)當(dāng)避免裝箱和拆箱。

裝箱和拆箱***的問題是會自動發(fā)生。比如：

Console.WriteLine("A few numbers: {0}, {1}.", 25, 32);

其中，Console.WriteLine()接收的參數(shù)類型是(string，object，object)。因此，實(shí)際上會執(zhí)行以下操作：

int i = 25;  obeject o = i;//boxing

然后把o傳給WriteLine()方法。在WriteLine()方法的內(nèi)部，為了調(diào)用i上的ToString()方法，又會執(zhí)行：

int i = (int)o;//unboxing  string output = i,ToString();

所以正確的做法應(yīng)該是：

Console.WriteLine("A few numbers: {0}, {1}.", 25.ToString(), 32.ToString());

25.ToString()只是執(zhí)行一個方法并返回一個引用類型，不存在裝箱/拆箱的問題。

另一個典型的例子是ArryList的使用：

public struct Employee  {      private string _name;      public Employee(string name)       {           _name = name;       }      public string Name       {          get { return _name; }          set { _name = value; }       }      public override string ToString()       {          return _name;       }  }  ArrayList employees = new ArrayList();  employees.Add(new Employee("Old Name"));//boxing  Employee ceo = (Employee)employees[0];//unboxing  ceo.Name = "New Name";//employees[0].ToString() is still "Old Name"

上面的代碼不僅存在性能的問題，還容易導(dǎo)致錯誤發(fā)生。

在這種情況下，更好的做法是使用泛型集合：

List< Employee> employees = new List< Employee>();

由于List< T>是強(qiáng)類型的集合，employees.Add()方法不進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換，所以不存在裝箱/拆箱的問題。

C#引用類型和值類型的區(qū)別——總結(jié)

C#中，變量是值還是引用僅取決于其數(shù)據(jù)類型。

C#的值類型包括：結(jié)構(gòu)體（數(shù)值類型，bool型，用戶定義的結(jié)構(gòu)體），枚舉，可空類型。

C#的引用類型包括：數(shù)組，用戶定義的類、接口、委托，object，字符串。

數(shù)組的元素，不管是引用類型還是值類型，都存儲在托管堆上。

引用類型在棧中存儲一個引用，其實(shí)際的存儲位置位于托管堆。為了方便，本文簡稱引用類型部署在托管推上。

值類型總是分配在它聲明的地方：作為字段時，跟隨其所屬的變量（實(shí)例）存儲；作為局部變量時，存儲在棧上。

值類型在內(nèi)存管理方面具有更好的效率，并且不支持多態(tài)，適合用作存儲數(shù)據(jù)的載體；引用類型支持多態(tài)，適合用于定義應(yīng)用程序的行為。

應(yīng)該盡可能地將值類型實(shí)現(xiàn)為具有常量性和原子性的類型。

應(yīng)該盡可能地確保0為值類型的有效狀態(tài)。

應(yīng)該盡可能地減少裝箱和拆箱。

關(guān)鍵字new將在托管堆上分配內(nèi)存空間，并返回一個該內(nèi)存空間的地址。左邊的reference位于棧上，是一個引用，存儲著一個內(nèi)存地址；而這個地址指向的內(nèi)存（位于托管堆）里存儲著其內(nèi)容（一個System.Object的實(shí)例）。

上述內(nèi)容就是C#中有哪些引用類型，你們學(xué)到知識或技能了嗎？如果還想學(xué)到更多技能或者豐富自己的知識儲備，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。