[你必须知道的.NET] 第八回：品味类型---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。
