《CLR via C#》 基元类型、引用类型和值类型

《CLR via CSharp》

Type基础

C#中有三种类型分别是基元类型、引用类型和值类型

基元类型

编辑器直接支持的数据类型称为基元类型(primitive type)。基元类型直接映射到Framework类库(FCL)中存在的类型。

C#基元类型 FCL类型 符合公共语言规范(CLS) 说明
sbyte System.SByte 否 有符号8位
byte System.Byte 是 无符号8位
short System.Int16 是 有符号16位
ushort System.UInt16 否 无符号16位
int System.Int32 是 有符号32位
uint System.UInt32 否 无符号32位
long System.Int64 是 有符号64位
ulong System.UInt64 否 无符号64位
char System.Char 是 16位Unicode字符
float System.Single 是 IEEE 32位浮点值
double System.Double 是 IEEE 64位浮点值
bool System.Boolean 是 true/false
decimal System.Decimal 是 128位高精度浮点值，常用于不容许误差的金融计算
string System.String 是 字符数组
object System.Object 是 所有类型的基类
dynamic System.Object 是 对于CLR，dynamic和object完全一致。但C#编译器允许使用简单的语法让dynamic变量参与动态调度

C#编译器非常熟悉基元类型，会在编译代码的时候引用自己的规则。

  • 编译器能执行基元类型之间的隐式或显示转型。但是只有在数据不会发生丢失的时候，C#才允许隐式转换。 
    1Int32 i = 5;            // 整数字面值默认解释为Int32
2Int64 l = i;            // Int32隐式转为Int64
3Single s = i;           // Int32隐式转为Single
4Byte b = (Byte) i;      // Int32显示转为Byte
5Int16 v = (Int16) s;    // Single显示转为Int16
  • 浮点值转证书C#编译器总是对浮点值进行接端，不向上取整。
  • 基元类型也可写成字面值(literal)。字面值被看成是类型本身的实例。 
    1123.ToString();
  • 表达式由字面值构成，编译器则可在编译期间就完成表达式求值。 
    1Boolean found = false;  // 生成的代码将found设为0
2Int32 x = 100 + 20 + 3; // 生成的代码将x设为123
3String s = "a " + "bc"; // 生成的代码将s设为"a bc"

checked和unchecked基元类型操作

C#允许程序员自己决定是否开启处理溢出检查。溢出检查默认关闭。可以通过/checked+编译器开关来全局替换是否生成检查版本的指令。如果想在特定代码区域控制溢出检查，则可用checked和unchecked操作符或语句

1Byte b = 100;
2b = checked((Byte) (b + 200)); // 抛出OverflowException异常
3
4checked {                   // 开始checked块
5    Byte b = 100;
6    b = (Byte) (b + 200);   // 抛出OverflowException异常
7}                           // 结束checked块

引用类型

引用类型总是从托管堆分配，C#的new操作符返回对象内存地址——即指向对象数据的内存地址。

  1. 内存必须从托管堆分配。
  2. 堆上分配的每个对象都有一些额外成员，这些成员必须初始化。
  3. 对象中的其他字节(为字段而设)总是设为零。
  4. 从托管堆分配对象时，可能强制执行一次垃圾回收。

用class声明的都是引用类型

值类型

值类型的实例一般在线程栈上分配(也可作为字段嵌入引用类型的对象中)。值类型实例在线程栈中，所以不受垃圾回收器控制。

所有结构都是抽象类型System.ValueType的直接派生类。而后者从System.Object派生。所有枚举都从System.Enum派生，而后者从System.ValueType派生。所有值类型都隐式密封，防止将值类型用作其他引用类型或值类型的基类型。

用struct声明的都是值类型

1struct vector2 { int x, y; }
2vector2 v1 = new vector2(); // 在线程栈中分配一个vector2的实例，并确保其中所有字段被初始化为零
3vector2 v2;                 // 跟上方一样，但C#不认为所有字段被初始化为零
4int a = v1.x;               // 无问题
5int b = v2.x;               // 报错 error CS0170: 使用了可能未赋值的字段"x"

装箱和拆箱

将值类型转换为引用类型需要用装箱机制。其装箱的流程为：

  1. 在托管堆中分配内存。分配的内存量是值类型各个字段所需的内存量，还要加上两个额外成员(类型对象指针和同步索引块)。
  2. 值类型的字段复制到新分配的堆内存
  3. 返回对象地址。

将引用类型转换为值类型需要用拆箱机制。其拆箱的流程为：

  1. 如果包含“对已装箱值类型实例的引用”的变量为null，抛出NullReferenceException异常。
  2. 如果引用的对象不是所需值类型的已装箱实例，抛出InvalidCastException异常。
  3. 获取已装箱对象中的各个字段的地址。这部叫做拆箱(unboxing)。
  4. 将字段包含的值从堆复制到基于栈的值类型实例中。

拆箱的代价比装箱低很多。少了堆内存请求分配和字段复制。

注意
  • 值类型重写虚方法(例如Equals, GetHashCode或ToString)如果在其中调用的基类型的实现，则会在调用时进行装箱。以便能够通过this指针将对一个堆对象的引用传给基方法。
  • 调用非虚的、继承的方法时(如GetType或MemberwiseClone)，无论如何都有对类型进行装箱。因为这些方法由System.Object定义，要求this实参是指向对对象的指针。
  • 将值类型的未装箱实例转换为类型的某个接口时要对实例进行装箱。这是因为接口变量必须包含对堆对象的引用。
  • C#一般无法修改已装箱值类型中的字段。有一种例外就是利用接口来修改。(尽量还是不要使用，破坏C#值类型的不可变"immutable"性) 
     1interface IChange {
 2    void Change(int x, int y);
 3}
 4
 5struct Point : IChange {
 6    public int x, y;
 7    public void Change(int x, int y) {
 8        this.x = x;
 9        this.y = y;
10    }
11}
12
13public static void Mian() {
14    Point p = new Point();
15    p.x = 1;
16    p.y = 1;
17
18    // 一次装箱
19    Object o = p;
20
21    // 一次拆箱。Change修改的是拆箱后的临时值类型。o内部的值类型还是(1,1)
22    ((Point) o).Change(2, 2);
23
24    // 一次装箱。Change修改的是装箱后临时的引用类型。然后丢弃它。不影响p。
25    ((IChange) p).Change(3, 3)
26
27    // o内部的值类型字段x和y被修改为(4,4)
28    ((IChange) o).Chage(4, 4);
29}

值类型和引用类型的区别

  • 值类型对象有两种表示形式：未装箱和已装箱。而引用类型总是已装箱。
  • 由于不能将值类型作为基类型来定义新的值类型或引用类型，所以不应该在值类型中引入任何虚方法。所有的方法也不能时抽象的，所有的方法都隐式密封(不可重写)。
  • 引用类型的变量包含堆中对象的地址。引用类型的变量创建时默认初始化为null。而值类型的变量总是包含其基础类型的一个值，而值类型的所有成员变量都初始化为0。
  • 将值类型变量赋值给另一个值类型变量会逐字段复制。而引用类型只会复制内存地址。

C#模拟Union

特性[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]用于告知编辑器此struct显示指定每个字段的偏移量。

特性FieldOffset(Int32 val)用于指出字段距离实例启始出的偏移量(字节为单位)

注意：引用类型与值类型互相重叠是不合法的。

1// 此struct中m_b与m_x互相重叠
2[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
3struct ValType {
4    [FieldOffset(0)]
5    private readonly Byte m_b;
6    [FieldOffset(0)]
7    private readonly Int16 m_x;
8}

Equals函数的同一性(identity)或相等性(equality)判断

同一性指两个引用是否指向同一个对象，最好调用’ReferenceEquals’来判断，或先把两个操作数转为Object在调用==操作符。

相等性指两个实际的值是否相同，或引用的对象的值是否相同。

dynamic基元类型

代码使用dynamic表达式或变量调用成员时，编译器生成特殊IL代码来描述所需的操作。这种特殊的代码称为payload(有效载荷)。在运行时，payload代码根据dynamic表达式或变量引用的对象的实际来决定具体执行的操作。

如果字段、方法参数或方法返回值的类型是dynamic，编译器会将该类型装欢为System.Object，并在元数据中向字段、参数或返回类型应用System.Runtime.CompilerServices.DynamicAttribute的实例。如果局部变量被指定为dynamic，则变量类型也会成为Object,但不会向局部变量应用DynamicAttribute，因为它限制在方法内部受用。dynamic其实就是Object。

值类型赋值给dynamic需要装箱，因为dynamic本质就是Object。

1dynamic d = 123;    // Int32隐式转换到dynamic(装箱)
2Int32 i = d;        // dynamic隐式转换到Int32(拆箱)

不能定义对dynamic进行扩展的扩展方法。不能将lambda表达式或匿名方法作为实参传给dynamic方法调用，因为编译器推断不了要使用的类型。