.NET面试题系列[4] - C# 基础知识(2)

2 类型转换

面试出现频率：主要考察装箱和拆箱。对于有笔试题的场合也可能会考一些基本的类型转换是否合法。

重要程度：10/10

CLR最重要的特性之一就是类型安全性。在运行时，CLR总是知道一个对象是什么类型。对于基元类型之间的相互转换，可以显式或者隐式执行，例如将一个int转换为long。但如果将精度较大的类型转化为精度较小的类型，必须显式执行，且可能会丢失精度，但不会发生异常。可以利用checked关键字强制掷出OverflowException异常。

CLR允许将一个对象转化为它的任何基类型。C#不要求任何特殊语法即可将一个对象转换为它的任何基类型。然而，将对象转换为它的某个派生类型时，C#要求开发人员只能进行显式转换，因为这样的转换可能在运行时失败。

2.1 基元类型的类型转换

对基元类型进行转换时，可以显式或者隐式执行。如果遇到丢失精度的情况，C#将会向下取整（即无论如何都是舍去）。例如，对int的最大值转换为byte，将会得到255。对一个小数位精度较高的数转化为小数位精度较低的数，则简单的舍去多余的小数位。

int a = int.MaxValue;
Console.WriteLine(a);
byte b = (byte) a;             //255

如果去掉（byte），改为隐式执行，则会无法通过编译。可以利用checked关键字检查是否有溢出的情况。

            checked
            {
                byte b = (byte)a;             //Overflow
                Console.WriteLine(a + 1);     //Overflow
                Console.WriteLine(b);
            }

也可以使用unchecked关键字忽略所有的精度和溢出检查。但由于这就是编译器的默认行为，所以unchecked关键字很少用到。

2.2 引用类型之间的类型转换

可以将一个对象转化为它的任何基类型。转换时，将等号右边的和左边的类型进行比较。如果左边的是基类，则安全，否则发生编译时异常，必须进行显式转换。例如object a = new Manager可以读为：Manager是一个object，所以这个（隐式）转换是安全的。但反过来就错误。显式转换永远发生运行时而不是编译时异常。

 

例如下面的测试题，假定有如下的定义：

    public class B
    {

    }

    public class D : B
    {

    }

回答下面每一行代码是可以执行，还是造成编译时错误，或运行时错误：

Object o1 = new Object();

可以执行。

 

Object o2 = new B();

可以执行。这将会在栈上新建一个名为o2的对象，类型为Object。他指向堆上的B类型对象。因为Object类型是B的基类，所以类型安全。但由于o2的类型是Object，o2将只拥有Object的那几个方法（你可以自行在IDE中试验一下）。如果你执行Console.WriteLine(o2.GetType())，你会得到[命名空间名称].B，也就是说，GetType返回指向的类型对象的具体类型名称。

 

Object o3 = new D();

可以执行，原因同上。

 

Object o4 = o3;

可以执行，可以将其看成Object o4 = new D();

在执行完上面四句话之后，内存中的状况如图：

如果你执行Console.WriteLine(object.ReferenceEquals(o3, o4))，会得到true的返回值，因为它们指向同一个实例。我们继续往下看：

 

B b1 = new B();

可以执行。

 

B b2 = new D();

可以执行。原因同第二个。

 

D d1 = new D();

可以执行。

 

B b3 = new Object();

编译时错误。不能将Object类型转为B。

 

D d2 = new Object();

编译时错误。原因同上。在执行完上面所有语句之后，内存中的状况如图（省略了类型对象指针）：

 

 

B b4 = d1;

可以执行因为左边的B是基类，d1是派生类D。

 

D d3 = b2;

编译时错误。左边的是派生类，而b2的类型是B（在栈上的类型）。

 

D d4 = (D) d1;

可以执行。因为d1也是D类型，故没有发生实际转换。在执行完上面所有语句之后，内存中的状况如图（省略了类型对象指针）：

 

D d6 = (D) b1;

运行时错误。在显式转换中，b1的类型是B，不能转换为其派生类D。通过显式转换永远不会发生编译时错误。

 

B b5 = (B) o1;

运行时错误。在显式转换中，o1的类型是基类Object，不能转换为其派生类B。

 

2.3 什么是拆箱和装箱？它们对性能的损耗体现在何处？

拆箱与装箱就是值类型与引用类型的转换，其是值类型和引用类型之间的桥梁。之所以可以这样转换是因为C#所有类型都源自Object（所有值类型都源于ValueType，而ValueType源于Object）。通过深入了解拆箱和装箱的过程，我们可以知道其包含了对堆上内存的操作，故其会消耗性能，因为这是完全不必要的。当了解了新建对象时内存的活动之后，装箱的内存活动就可以很容易的推断出来。

装箱的过程

对于简单的例子来说：

int x = 1023;
object o = x; //装箱

执行完第一句后，托管堆没有任何东西，栈上有一个整形变量。第二句就是装箱。因为object是一个引用类型，它必须指向堆上的某个对象，而x是值类型，没有堆上的对应对象。所以需要使用装箱，在堆上创造一个x。装箱包括了以下的步骤：

1. 分配内存。这个例子中需要一个整形变量，加上托管堆上所有的对象都有的两个额外成员（类型对象指针和同步块索引）那么多的内存。类型对象指针指向int类型对象。
2. 值类型的变量复制到新分配的堆内存。
3. 返回对象的地址。

注意，不需要初始化int的类型对象，因为其在执行程序之前，编译之后，就已经被CLR初始化了。

拆箱的过程

拆箱并不是把装箱的过程倒过来，拆箱的代价比装箱低得多。拆箱不需要额外分配内存。

            int i = 1;            
            object o = i;
            var j = (byte) o;

拆箱包括了以下的步骤：

1. 如果已装箱实例为null，抛出NullReference异常
2. 如果对象不是null但类型不是原先未装箱的值类型，则抛出InvalidCast异常，比如上面的代码
3. 获取已装箱实例中值类型字段的地址
4. 创建一个新的值类型变量，其值使用第三步获取到的值（复制）

通常避免无谓的装箱和拆箱，可以通过使用泛型，令对象成为强类型，从而也就没有了转换类型的可能。也可以通过IL工具，观察代码的IL形式，检查是否有关键字box和unbox。

2.4 使用is或as关键字进行类型转换

可以使用is或as关键字进行类型转换。

is将检测一个对象是否兼容于指定的类型，并返回一个bool。它永远不会抛出异常。如果转型对象是null，就返回false。典型的应用is进行类型转换的方式为：

object o = new object();
class A
{
 
}

if (o is A)  //执行第一次类型兼容检查
{
  A a = (A) o;  //执行第二次类型兼容检查
}

由于is实际上会造成两次类型兼容检查，这是不必要的。as关键字在一定程度上，可以改善性能。as永远不会抛出异常，如果转型对象是null，就返回null。典型的应用as进行类型转换的方式为：

object o = new object();
class B
{
}
B b = o as B;  //执行一次类型兼容检查
if (b != null)
{  
  MessageBox.Show("b is B's instance.");
}

 

3. 字符串

面试出现频率：基本上肯定出现。特别是对字符串相加的性能问题的考察（因为也没有什么其他好问的）。如果你指出StringBuilder是一个解决方案，并强调一定要为其设置一个初始容量，面试官将会很高兴。

重要程度：10/10。

 

字符串是引用类型。可以通过字符串的默认值为null来记忆这点。string是基元类型String在c#中的别名，故这两者没有任何区别。

注意字符串在修改时，是在堆上创建一个新的对象，然后将栈上的字符串指向新的对象（旧的对象变为垃圾等待GC回收）。字符串的值是无法被修改的（具有不变性）。考虑使用StringBuilder来防止建立过多对象，减轻GC压力。

字符串的==操作和.Equal是相同的，因为==已经被重写为比较字符串的值而不是其引用。作为引用类型，==本来是比较引用的，但此时被重写，这也是字符串看起来像值类型的一个原因。

当使用StringBuilder时，如果你大概知道要操作的字符串的长度范围，请指明它的初始长度。这可以避免StringBuilder初始化时不断扩容导致的资源消耗。

你经常会有机会扩展这个类，例如为这个类扩展一个颠倒的字符串方法：

    public static string Reverse(string s)
    {
        char[] charArray = s.ToCharArray();
        Array.Reverse(charArray);
        return new string(charArray);
    }

 

3.1 字符串和普通的引用类型相比有什么特别的地方吗？

字符串的行为很像值类型：

1. 字符串使用等于号互相比较时，比较的是字符串的值而不是是否指向同一个引用，这和引用类型的比较不同，而和值类型的比较相同。
2. 字符串虽然是引用类型，但如果在某方法中，将字符串传入另一方法，在另一方法内部修改，执行完之后，字符串的值并不会改变，而引用类型无论是按值传递还是引用传递，值都会发生变化。

3.2 关于StringBuilder的性能问题

我们考虑将N个字符串连接起来的场景。在N极少时（小于8左右），StringBuilder的性能并不一定优于简单的使用+运算符。所以此时，我们不需要使用StringBuilder。

当N很大（例如超过100）时，StringBuilder的效能大大优于使用+运算符。

当N很大，但你知道N的确定数值时，考虑使用String.Concat方法。这个方法的速度之所以快，主要有以下原因：

1. 当N确定，每个字符串也确定时，最终的字符串长度就确定了。此时，可以一次性为其分配这么大块的内存。而StringBuilder如果没有指明初始长度，或指定了一个较小的长度，则会不断扩容，消耗资源。扩容的动作分为如下几步：在内存中分配一个更大的空间，然后将现有的字符串复制过去（还余下一些空位for further use）
2. StringBuilder有线程安全的考虑，故会拖慢一点时间

不过，如果你可以确定最终字符串长度的值，并将其作为初始长度分配给StringBuilder，则StringBuilder将不需要扩容，其性能将与String.Concat方法几乎相同（由于还有性能安全的考虑，故会稍微慢一点点）。

参考：

http://blog.zhaojie.me/2009/11/string-concat-perf-1-benchmark.html

http://blog.zhaojie.me/2009/12/string-concat-perf-2-stringbuilder-implementations.html

http://blog.zhaojie.me/2009/12/string-concat-perf-3-profiling-analysis.html

 

3.3 什么是字符串的不变性？

字符串的不变性指的是字符串一经赋值，其值就不能被更改。当使用代码将字符串变量等于一个新的值时，堆上会出现一个新的字符串，然后栈上的变量指向该新字符串。没有任何办法更改原来字符串的值。

 

3.4 字符串转换为值类型

有时我们不得不处理这样的情况，例如从WPF应用的某个文本框中获得一个值，并将其转换为整数。以int为例，其提供了两个静态方法Parse和TryParse。当转换失败时，Parse会掷出异常，使用Parse的异常处理比较麻烦：

int quantity;
try
{
    quantity = int.Parse(txtQuantity.Text);
}
catch (FormatException)
{
    quantity = 0;
}
catch (OverflowException)
{
    quantity = 0;
}

而TryParse不会引发异常，它会返回一个bool值提示转换是否成功：

int quantity;
if (int.TryParse(txtQuantity.Text, out quantity) == false)
{
    quantity = 0;
}

代码变得十分简单易懂。当然，直接使用显式转换也是一种方法。显式转换和TryParse并没有显著的性能区别。

3.5 字符串的驻留（interning)

从来没有人问过我关于这方面的问题，我也是不久之前才学到的。简单来说，字符串驻留是CLR的JIT做代码优化时，送给我们的一个小礼物。CLR会维护一个字符串驻留池（内部哈希表），并在新建字符串时，探查是否已经有相同值的字符串存在。只有以下两种情况才会自动探查。

1. 如果编译器发现已经有相同值的字符串存在，则不新建字符串（在堆上），而是让新旧两字符串变量在栈上指向同一个堆上的字符串值。如果没有则在驻留池中增加一个新的成员。

var s1 = "123";
var s2 = "123";
Console.WriteLine(System.Object.Equals(s1, s2));  //输出 True
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(s1, s2));  //输出 True

这意味着，堆上只有一条字符串“123”（隐式驻留）。如果我们预先知道许多字符串对象都可能有相同的值，就可以利用这点来提高性能。字符串的驻留的另一个体现方式是常量字符串相加的优化。下面例子输出结果也是两个True：

string st1 = "123" + "abc";
string st2 = "123abc";
Console.WriteLine(st1 == st2);
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(st1, st2));

堆上的字符串只有一个 ----“123abc”。下面例子则稍有不同：

string s1 = "123";
string s2 = s1 + "abc";
string s3 = "123abc";
Console.WriteLine(s2 == s3);
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(s2, s3));

第二个布尔值为False，因为变量和常量相加的动作不会被编译器优化。

并非每次新建字符串，或者通过某种方式生成了一条新的字符串时，其都会被驻留。例如，上面例子中，变量字符串和常量字符串相加，就没有触发驻留行为，同理ToString，ToUpper等方法也不会（只有上面两种情况才会）。我们也可以通过访问驻留池来显式留用字符串。我们可以使用方法string.Intern为驻留池新增一个字符串，或者使用方法IsInterned探查字符串是否已经被驻留。

因为变量字符串和常量字符串相加无法利用驻留行为，所以无论我们怎么改进，上面的最后一行总是会输出False。例如：

string s1 = "123";
String.Intern("123abc");
string s2 = s1 + "abc";

string s3 = "123abc";
Console.WriteLine(s2 == s3);
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(s2, s3));

此时s2的创建根本不会搭理驻留池。同理，这样也不行：

string s1 = "123";
String.Intern("123");
string s2 = 123.ToString();

Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(s2, s1));

通常来说，字符串驻留只有在常量字符串的分配和相加时才有意义。而且，我们要注意到字符串驻留的一个负面影响：驻留池的内存不受GC管辖，所以要到程序结束才会释放。