C#/.NET值类型

值类型 (Value Type) 包括两个成员：结构体和枚举类型。

通常来说，值类型就是字面意义上的那种值，例如整数 int，小数 float/double，布尔值等。

而实际上，整数、小数，布尔值等全部都是结构体。

值类型的默认值一般为 0，例如整数和小数的默认值都是 0，枚举类型的默认值也为 0， char 的默认值为 ‘\0’。和引用类型相比，值类型的内存分配简单得多。

基元类型

之前讲过，C# 和其他 .NET 语言都是运行在通用类型系统（CTS）上的，而 CTS 提供 一些“基本的”类型一基元类型（Primitive Type）。

各个 .NET 语言分别使用不同的关键字， 但最终它们都会被映射到同一个 IL 类型。这样的类型就叫做基元类型，它们由 CTS 定义，由编译器与 BCL 直接支持，属于 BCL 而非任何某个语言。

基元类型包括了几乎所有的值类型（除了用户定义的结构体和枚举）以及字符串，object 和 dynamic。

Primitive 有原始的意思，可以将基元类型理解为基本的、原始的类型，少了它们就什么都做不了。

有了基元类型，各个 .NET 语言的互操作性就可以实现了，例如，通过 ildasm 工具，我们可以查看到 int i=1 对应的 IL 代码为（这里省略了赋值的那一句 IL代码）：

.locals init ([0] int32 i)

这说明了在 IL 中 int 对应的基元类型为 Int32。当然，在 C# 中也可以直接写 Int32 i=1，不过，这样并不会给你带来任何好处。

而对于VB.NET，int 的关键字为 Integer，如果你在 VB.NET 中声明了一个Integer，你也可以通过 ildasm 发现，它对应的类型仍然为 Int32。

值类型的内存分配

值类型的内存分配分为以下几种情况：

• 值类型作为局部变量。
• 值类型作为引用类型的成员。
• 值类型中包含引用类型。

1) 值类型作为局部变量

普通的值类型总是分配在栈上。例如以最简单的 int 为例，inti=1 意味着我们在栈上开辟了一块空间存储这个值类型。

注意，int 实际上是一个结构体，它有 2 个值类型成员（最大值，最小值），它们是常量，所以是静态的（const=static readonly）。

静态的成员和 int 的方法均存储在加载堆中。

值类型也没有同步块索引和类型对象指针。所以，新建一个 int，不会重新复制它的最大值和最小值，int 的开销永远是 4 个字节（就是它自己）。

即使机器是 64 位机，int 的大小永远是 32 位，因为 int 实质上是 Int32。Int64 这个基元类型在 C# 中对应 long。

对于局部变量的复制来说，情况非常简单。我们知道，值类型复制时，将只复制值的副本。所以更改原值对复制的新值不会有影响。

var i = 1;
var j = i;
i = 2 ;
//输出1
Console.WriteLine(j);

当执行代码var j = i时，将会在栈上新建一个名为 j 的变量，然后将 i 的值复制给 j，它和 i 没有任何关系。值类型也不可能有浅复制。

2) 值类型作为引用类型的成员

如果值类型为引用类型的成员，则遵从引用类型的内存分配和复制方式。例如:

public class AClass
{
    public int a;
    public string b;
}

在创建一个该类的实例时，遵从引用类型的内存分配方式。

下面的代码会实例化一个 AClass 对象：

var a = new AClass();
a. a = 1;
a.b = "hey";

执行完上面的代码之后，内存的分配如下图所示。


其中，托管堆的方法表指针还指向 AClass 的类型对象，其位于加载堆中，图上没有画出来。

3) 值类型中包含引用类型

如果一个结构体中包含了引用类型（例如结构体），例如包含了一个字符串或者类，则它引用类型的那部分会遵从引用类型创建的内存分配，值类型的那部分则遵从值类型创建的内存分配。

如果我们有这样的结构体：

publie class AClass
{
    public int a;
    public string b;
}
public struct AStruct
{
    public AClass ac;
    public double c;
}

则新建这个值类型的实例时，它的引用类型成员遵循引用类型成员分配的机制，值类型成员则储存在栈上。

var a = new AStruct();
a.ac = new AClass();
a.c = 1;
a.ac.a = 2 ;
a.ac.b = "hey";

在运行完上面的代码之后，内存中的情况如下图所示。


为了看得更清楚，我们复制它，然后试图更改其成员的值：

var b = a;
b.c = 999;
b.ac.a = 888;
b.ac.b = "bye";
Console.WriteLine(a.c); //1
Console.WriteLine(a.ac.a); //888
Console.WriteLine(a.ac.b); //bye

此时内存的情况，如下图所示。


通过下面的代码，我们可以证明 a.ac 和 b.ac 指向同一个对象，而 a.c 和 b.c 没有关系：

Console.WriteLine(ReferenceEquals(a.ac, b.ac));  // True
Console.WriteLine(ReferenceEquals(a.c, b.c));   // False

我们可以发现，即使值类型复制可以保证值类型中的值类型成员相互无关，它内部的引用类型仍然是浅复制。

值类型的构造函数

可以为值类型和引用类型定义构造函数。但对于值类型，在构造函数中必须为所有的成员赋值，不支持无参构造函数。

例如 DateTime 类型，其为一个结构体，所以是值类型。它的成员有年、月、日、时、分、秒、DayOfWeek（代表星期几）等。

它有很多个构造函数，每个都拥有一至多个输入。例如：

public DateTime(int year, int month, int day);

虽然在这个构造函数中，我们没有传入 DayOfWeek，但在构造函数中，C# 会算出 DayOfWeek。

因此，我们可以访问到 2017 年 9 月 8 日的星期信息：

var a = new DateTime( 2017, 9, 8);
Console.WriteLine( a.DayOfWeek); // Friday

如果没有自定义构造函数，C# 默认会生成一个无参构造函数，它遍历类型中所有的成员，并将它们设置为默认值，如默认值表所列。

值类型	默认值
bool	false
byte	0
char	'\0'
decimal	0M
double	0.0D
enum	表达式 (E)0 生成的值，其中 E 是枚举标识符。
float	0.0F
int	0
long	0L
sbyte	0
short	0
struct	通过如下设置生成的值：将所有值类型的字段设置为其默认值，将所有引用类型的字段设置为 null。
uint	0
ulong	0
ushort	0

何时考虑使用值类型

人们通常将值类型认为是轻量级的引用类型，设计它的目的是提高程序的性能。

如果所有类型都是引用类型，则性能将大大下降，这是因为：

每次新声明变量都要建立类型对象指针和同步块索引。
内存分配必定牵扯到堆，增加 GC 的压力。

当结构体的全部属性都是值类型时，结构体不会和堆扯上关系（例如，int 就是这样的结构体），这样做可以减轻垃圾收集器的压力。

另外，选择结构体而不是类，会在初始化时提高性能，因为不需要初始化类的两个“标准配置”，即类型对象指针和同步块索引。

因此，对于一些常见的轻量级的类型，可以考虑选择结构体。

最常见的结构体莫非 int, DateTime 莫属。这里我们就拿 DateTime 做个例子。

DateTime 的属性都是值类型，其中包括 int、DateTime、TimeSpan、long 和几个枚举。

而且在创建 DateTime 时要给所有属性赋予一个有意义的值，比如 DayOfWeek、DayOfYear 等。

当你初始化一个 DateTime 时，通常都是传入年月日，系统负责将其他属性初始化，例如计算出 DayOfWeek 等。

所以，以下情况适合使用结构体：

• 当对象的所有属性都需要在创建之初即赋值时。
• 当对象的全部属性都是值类型时（如果存在引用类型，就会牵扯到内存分配到堆上的问题，就无法减轻垃圾收集的压力了）。
• 当对象不需要被继承时。

例如，二维坐标系（包括两个 double），长方形（包括长、宽、面积等一些 double）这样的对象，适合使用结构体。

值类型是密封的

值类型一定是密封的，不支持继承。之所以这样设计，是因为如果值类型可以被其他类型继承（尤其是引用类型），那么它的创建就会牵扯到堆上的内存分配，这违反了设计值 类型的初衷。

值类型和引用类型的区别与联系

值类型和引用类型的区别主要有：

1) 所有值类型隐式派生自 System.ValueType。该类确保值类型所有的成员全部分配在 栈上。有三个例外：

• 结构体如果含有引用类型成员，则该成员也会牵扯到堆的分配。
• 静态类型，如果一个变量是静态的，则无论它是什么类型，都会分配在加载堆上。
• 局部变量被捕获升级为密封类，这个现象在闭包中会讲到。

所以，“值类型都分配在栈上，引用类型都分配在堆上”这样的说法并不准确。

2) 引用类型的初值为 null。值类型则是 0，因为字符串的初值为 null，故字符串为引用类型。

3) 对于引用类型，栈中会有一个变量名和变量类型，指向堆中对象实例的地址。值类 型仅有栈中的变量名和类型，不包括指向实例的指针。

4) 值类型不能被继承，引用类型则可以。典型的例子是结构体，它是值类型，所以结 构体不能被继承。但结构体里面可以包括引用类型。值类型也可以有自己的方法，例如 Int.TryParse 方法。

5) 值类型的生命周期是其定义域。当值类型离开其定义域后将被立刻销毁。引用类型则会进入垃圾回收分代算法。我们不知道何时才会销毁。

6) 值类型的构造函数必须为所有成员赋值。

7) 可以重写引用类型的析构函数。值类型不需要析构函数，因为析构函数只会被垃圾收集器调用。

8) 值类型没有同步块索引，不能作为线程同步工具。

值类型和引用类型的的联系主要有：

• 值类型和引用类型可以通过装箱和拆箱互相转化。
• 所有值类型都派生自 System.ValueType，它是 System.Object 的子类。
• 类和结构体都可以实现接口。类实现接口的例子就不说了，结构体例如 int，DateTime 等都实现了 IComparable 接口，使得它们可以比较大小。

嵌套：值类型与引用类型

我们都知道链表是这样定义的：

publie class LinkedList<T>
{
    public T data { get;  set;  }
    public LinkedList<T> next { get;  set;  }
}

现在问题来了，假设 T 是 int，那么在 32 位机器上 new 这个对象时，需要在堆上开辟多少字节内存？既然 LinkedList<T> 是一个类，那么，next 属性是一个引用类型。

当 new 这个对象时，我们需要 4 个字节的 int 以及一个地址，而 32 位操作系统的地址是 4 个字节。

所以，对于 32 位操作系统，创建一个 LinkedList<T> 需要堆上的 8 个字节，还有类的两个 标配一类型对象指针和同步块索引，共 16 字节。

假设我们将上面代码中的 class 改为 struct，其他完全不变，会发生什么？结论是编译不通过。

因为对于一个结构，CLR 无法计算出新建这个结构时，需要多少字节分配给栈。

这是因为，此时 next 属性不再是一个引用类型，而是一个值类型，所以它的大小取决于它所有的成员大小之和（data 和 next），而它的成员又包括它自己，所以构成无限循环。

而对于引用类型，栈上只需要一个 4 字节的地址，所以不会循环下去。