.NET之我见系列 - 类型系统（上）

1.         概览

较之以往任何一种开发语言来说，.NET在类型系统上的创新设计都是无与伦比的。强大的通用类型系统CTS（Common Type System）奠定了整个.NET体系的基石。这套类型系统是贯穿于.NET Framework和各种中间语言之间的。因此需要从两个方面来理解.NET的类型系统。

总体来说，.NET的类型是一种完全的面向对象的类型。它由最底层的object类型开始，逐步扩展，上面再分支为值类型Value Type以及引用类型Reference Type。由值类型由分支出基础值类型、用户定义值类型以及枚举类型。由引用类型分支出自描述类型、指针类型、接口类型。由自描述类型又分支出类 类型、数组类型等。

下图展示了.NET的类型体系分支：

 　　

这是一基于自演化的体系，由一个根类型逐渐分支。其结构体系完全符合自然发展规律，符合面向对象的思想。这种思想早在中国古代经典著作中 就奠定了理论基础，在《易经》中提到这样的思想：太极生两仪、两仪生四象、四象生八卦、八卦演万物。 而.NET的类型体系正是符合这种发展的思想观。它所带来的优势是不言而喻的：

架构清晰

整个树形架构划分明确，便于程序的设计，便于理解。

通用性强

这种明确的类型系统有效的保证了.NET实现的多语言开发，中间语言转换，统一编译的特性。

便于检测

正是基于它清晰的架构，便于在程序出现错误时，按不同的类型需求检测错误。

扩展性好

统一的设计保证了类型的可扩展性。

2.         从源头说起

       前面已提到过，.NET类型系统全部来源于一个统一的基础即System.Object类型。它定义于.NET Framework下，在C#中对应的类型为object类型。.NET实行了一种语言架构分离的机制，它的基本类型并没有定义于语言中，而是内置 在.NET Framework内。这样的设计进一步保障了公共语言系统的成功及工作效率。而我们在语言中也可以方便的使用助记符来代替，例 如System.Object在语言中可使用object替换，System.Int32在语言中可使用int替换。值得一提的是，这种替换名字虽有细小的差别，但仍是基于基本类型的。因此并不像网上某些文章提到的会损失性能。因为其在代码编译之 前就会在MSIL中完成类型的转换。请看以下示例。

static void Main(string[] args)
{
    int intA = 123;
    Console.WriteLine(intA.ToString());
    
}

  这段程序描述了一个int型变量的定义。当该脚本转换成IL后，其代码如下：

 

 其中红色区域为int型变量在转换后的类型，由此可见，它仍是.NET Framework中定义的基本类型。

System.Object中拥有几个最基本的方法，包括实例方法：

 

 静态方法：

 

这几个简单的方法为object所有的分支类型所共有。其中使用最普遍的就是ToString()方法。用于返回对象的字符串形式。在调试程序时，经常会运用它来判断当前对象是否正确。获得当前值。< /p>

Equals和ReferenceEquals用于对对象的实例进行相等比较。

GetType：用于运行时获取对象的运行时类型。

GetHashCode用于获取对象的散列码。

除此之外还包括了MemberwishClone方法，用于实现对象实例的浅拷贝，它是base基类中的一个受保护级别的方法。

 

最后还有一个非常特殊的Finalize方法，用于垃圾回收时处理资源的清理工作。该方法无法在自定义类中显示重写。要实现它，只需为类定义析构函数即可。但要注 意，Finalize对系统的开销非常大，因此请尽量少的使用它。

3.         从内存结构谈起

以上简单的介绍了.NET类型系统的划分和设计基础。但要真正了解.NET类型的细节问题，就需要弄清楚类型在内存中的表现形式。因为类型最重要的作用，即它的核心价值就在于为应用程序的各个元素开辟相应的内存 空间，指定其运行的位置。合理分配的内存空间可保证程序稳定有序的运行，也是决定程序性能的一项硬指标。

.NET类型系统的设计源自JAVA，其数据在内存的存储区域被划分成两个不同的部分，堆栈区（Strack）和托管堆（Manage Heap），堆栈区用于存储值类型，而引用类型则依赖于托管堆。这个过程是这样进行的：

在32位的操作系统上，当用户执行编译好的应用程序时，操作系统会在内存中为程序创建一个进程，同时为其分配4GB的内存空间（此空间是通过内存地址映射实现的虚拟空间），这块空间即为托管堆区，一般引用类型的实际数据都存储在此，而在堆栈上存储的则是引用类型的地址指针。

3.1值类型

而对于值类型来说，通常是存储于线程的堆栈上。堆栈是一种先进后出，并从高地址向低地址扩展的数据结构，它是一块连续的内存的区域。在系 统分配时会被指定大小。若存储的数据超出了这块指定区域就会发生“溢出”错误。下图表明了堆栈在内存中的存储结构。< /p>

 

这个概念非常重要，理解了这一点，在后面谈到数据类型转换时的重重问题就可以迎刃而解了。打一个不恰当的比喻来说，堆栈就好比酒店内的房 间，不同类型、不同数量的客人被安排在不同大小的房间内，有单间、双人间、三人间、豪华间还有总统套房。酒店前台会根据客人的不同需要进行分配。这里的酒 店前台好比堆栈中的地址指针。此指针指向堆栈中下一个自由地址空间。

下面的程序使用.NET的指针，定义了3个int型变量，分别获取它们的内存地址和值，从结果可以看出，值类型的内存分配方式：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;

namespace ConsoleApplication5
{
    class Program
    {
        unsafe static void Main(string[] args)
        {
            int a = 1;
            int* addInt = &a;
            Console.WriteLine("指针地址为：{0}，内容为{1}。", (uint)addInt, addInt->ToString());
            byte b = 2;
            byte* addByte = &b;
            Console.WriteLine("指针地址为：{0}，内容为{1}。", (uint)addByte, addByte->ToString());
            decimal c = 3m;
            decimal* addDecimal = &c;
            Console.WriteLine("指针地址为：{0}，内容为{1}。", (uint)addDecimal, addDecimal->ToString());
            bool d = true;
            bool* addBool = &d;
            Console.WriteLine("指针地址为：{0}，内容为{1}。", (uint)addBool, addBool->ToString());
        }
    }
}

  运行结果如下：

 

这个程序很好的表明了值类型在地址中是如何进行存储的。4个值从第1242220的高地址位开始一直向低地址位延伸。每次根据数据类型的不同分配不同长度的内存单元，用于存储所需数据。当然地址的起始位置是根据系统当 前的资源情况而分配的。

另外我们还需要了解的是值类型的作用域也有严格的规定。值类型的作用域被规范在一个代码块中，例如上面的例子程序 中，a、b、c、d四个变量的作用域就只在main主函数中存在，当程序运行到主函数的最后一个}符号时，四个变量被依次释放内存，这一操作是由系统自动完成的，并不需要人为去进行干预。< /p>

当然有些情况下值类型的作用域也被延伸。例如使用ref或out来按引用传递参数时，值类型的作用域则可被扩展到程序块之外。

3.2引用类型

说完值类型，让我们再回到引用类型上。首先要了解，为什么需要引用类型。实际上，相对于引用类型来说，值类型的执行效率要高得多，并且后 者的内存开销也要比引用类型小。那么是不是仅需要它就行啦？我们前面也谈到，类型的核心价值就是提高程序的性能，这样看来引用类型似乎是违背了这一原 则。

事实是，我们不仅需要引用类型，而且它的作用往往比值类型显得更加重要。因为值类型虽使用简便，但最大的缺点就是受到语句块作用域的限 制，并且只能存储一些小的数据类型，以至于使用上欠缺灵活性。而引用类型克服了这些缺点，首先是它的存储位置被分为两个区域。它在堆栈上声明并被分配空 间，但此空间存储的仅是实际数据在托管堆中的地址的引用。真正的数据被存储在托管堆中，托管堆的内存存放类似于堆栈，但它有一个专门的工具来负责内存的清 理工作，这个工具就是垃圾收集器GC。垃圾收集器会定期检查堆栈中的数据占用情况，若发现不用的对象（有一种算法来负责），或用户提出了申请，则开 动GC，回收内存中相应的资源。

引用类型使用运算符new进行创建，方法如下：

Test test = new Test();

Test是类型的名称，这里可以是用户自定义类型、也可以是系统内置类型。这行语句与普通的值类型定义相比仅是等号右边有所不同，但它本身包含 了以下几个步骤。

3.2.1       声明类型，在堆栈开辟内存空间

等号左边和值类型一样，首先指明了数据的类型为Test类型，此时编译器将会在同一命名空间下查找是否存在Test类型，若没有则在引 用中查找是否有using指向不同命名空间下的这一对象，若不存在则返回一个错误提示：“找不到类型或或命名空间名称”。当然这一步骤会在源代码编译前就 完成。但也有一种情况就是编译成功后，系统中注册的动链意外丢失，也会造成编译后的错误。

若类型存在，则根据此类型的需要在内存的堆栈区开辟空间。因此，即使是引用类型，仍然需要消耗堆栈区的空间。和值类型不同的时，此时， 堆栈空间中存储的不是引用类型的数据，而是引用类型在托管堆中的地址。

3.2.2       在托管堆开辟内存空间

当运行到new操作符时，系统开始在托管堆上分配内存，用于存放引用类型的实际数据。New不仅是用于创建对象，还有一个重要的作用就 是调用类构造函数。在IL中，new被newobj命名所定义，但new并不是为引用类型所独有的。值类型也有使用new的情况，看下面的示例程 序。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;

namespace ConsoleApplication1
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            //使用new声明值类型
            int intA = new int();
            intA = 2;
            Console.WriteLine(intA.ToString());
            //声明结构体时，并不一定需要new操作符
            StrTest strTest;
            strTest.intA = 123;
            Console.WriteLine(strTest.intA.ToString());
            //引用类型必须用new实例化
            ClaTest claTest = new ClaTest();
            claTest.intA = 123;
            Console.WriteLine(claTest.intA.ToString());


        }

    }

    struct StrTest
    {
        public int intA;
    }

    class ClaTest
    {
        public int intA;
    }
}

  在此程序中，定义了一个int型的值类型，一个结构体，一个类。我们可以看出，在声明值类型时，也可以使用new操作符，也可以不使用 new。而声明引用类型时，必须使用new操作符，因为需要new为引用类型在托管堆中分配资源。但new并不为值类型在托管堆中开辟内存 区。

3.2.3       调用构造函数

new的最后一个作用就是调用类或结构体的构造函数。构造函数是与类名同名的方法成员，由类在初始化后自动运行，用来完成一些数据的初始化工 作。