2.3 值類型和引用類型

本節簡要討論了為了深入更高版本C#的世界，C# 1的哪些主題的基本元素是必須理解的。

先來看看在現實世界和在.NET中，值類型和引用類型的基本差異是如何自然體現的。

2.3.1 現實世界中的值和引用

假定你在讀一份非常棒的東西，希望一個朋友也去讀它。你需要為朋友提供什麽才能讓他讀到文檔，這完全取決於閱讀的內容。

報紙與值類型

先假設你正在讀的是一份真正的報紙。為了給朋友一份，需要影印報紙的全部內容並交給他。屆時，他將獲得屬於他自己的一份完整的報紙。

在這種情況下，我們處理的是值類型的行為。所有信息都在你的手上，不需要從任何其他地方獲得。制作了副本之後，你的這份信息和朋友的那份是各自獨立的。可以在自己的報紙上添加一些註解，他的報紙根本不會改變。

網址與值類型

再假設你正在讀的是一個網頁。你需要給朋友的就是網頁的URL。這是引用類型的行為，URL代替引用。為了真正讀到文檔，必須在瀏覽器中輸入URL，並要求它加載網頁來導航引用。

另一方面，假如網頁由於某種原因發生了變化，你和你的朋友下次載入頁面時，都會看到那個改變。

在C#和.NET中，值類型和引用類型的差異與現實世界中的差別類似。

誰是值類型或引用類型

.NET中的大多數類型都是引用類型，除了以下總結的特殊情況，類是引用類型，而結構是值類型。特殊情況包括如下方面：

①數組類型是引用類型，即使元素類型是值類型（所以即便 int 是值類型， int[] 仍是引用類型）；

②枚舉（使用 enum 來聲明）是值類型；

③委托類型（使用 delegate 來聲明）是引用類型；

④接口類型（使用 interface 來聲明）是引用類型，但可由值類型實現。

理解了引用類型和值類型的基本概念之後，接著要探討幾個最重要的細節。

2.3.2 值類型和引用類型基礎知識

學習值類型和引用類型時，要掌握的重要概念是一個特殊表達式的值是什麽。為使問題更加具體，我們使用了表達式最常見的例子——變量。但同樣的道理也適用於屬性、方法調用、索引器（indexer）和其他表達式。

表達式的值

值類型：表達式的值就是表達式的值

前面節說過，大多數表達式都有與其相關的靜態類型。對於值類型的表達式，它的值就是表達式的值，這很容易理解。例如，表達式“2+3”的值就是5。

引用類型：表達式的值是一個引用

對於引用類型的表達式，它的值是一個引用，而不是該引用所指代的對象。所以表達式 String.Empty 的值不是一個空字符串——而是對空字符串的一個引用。

二者在內存中的區別

存儲了兩個整數 x 和 y 的一個 Point 類型，它的一個構造函數能獲得兩個值。

這個類型可以實現為結構或類。圖2-3展示了執行下面兩行代碼的結果：

Point p1 = new Point(10, 20);
Point p2 = p1;

圖2-3左邊的部分指出當 Point 是一個類（引用類型）時所涉及的值，右邊的部分展示了當Point 是一個結構（值類型）時的情形。

在兩種情況下， p1 和 p2 在賦值後都有相同的值：

①在 Point 是引用類型的情況下，那個值是引用： p1 和 p2 都引用同一個對象。

②在 Point 是值類型的情況下， p1 的值是一個“點”的完整的數據，也就是這個“點”的 x 和 y 值。將 p1 的值賦給 p2 ，會復制 p1 的所有數據。

變量的值在它聲明時的位置存儲

局部變量的值總是存儲在棧（stack）中，實例變量的值總是存儲在實例本身存儲的地方。引用類型實例（對象）總是存儲在堆（heap）中，靜態變量也是。

我的理解是：值類型的實例在棧上，那麽值類型的實例變量就在棧上，引用類型的實例在堆裏，引用類型的實例變量也就在堆裏，靜態變量和實例變量是一個道理。程序開始運行時，會用到的局部變量都會保存在棧上，至於這個變量是值類型實例還是引用類型實例——無所謂，他都在棧上。沒有在代碼想中聲明實例，實例字段就不會創建，實例字段和局部變量在概念上的差別一定要理解、分清。

值類型不可以派生出其他類型

這將導致的一個結果就是，值不需要額外的信息來描述值實際是什麽類型。

把它同引用類型比較，對於引用類型來說，每個對象的開頭都包含一個數據塊，它標識了對象的實際類型，同時還提供了其他一些信息。

永遠都不能改變對象的類型，強制轉換改變的是引用的類型

執行簡單的強制類型轉換時，運行時會獲取一個引用，檢查它引用的對象是不是目標類型的一個有效對象。如果有效，就返回原始引用，否則拋出異常。

引用本身並不知道對象的類型——所以同一個引用“值”可用於（引用）不同類型的多個變量。例如下面的代碼：

Stream stream = new MemoryStream();
MemoryStream memoryStream = (MemoryStream) stream;

第1行創建一個新的 MemoryStream 對象，並將 stream 變量的值設為對那個新對象的引用。

第2行檢查 stream 的值引用的是不是一個 MemoryStream （或派生類型）對象，並將MemoryStream 的值設為相同的值。

2.3.3 走出誤區

本節將處理一些典型錯誤，解釋真實的情況到底是什麽。

誤區1：“結構是輕量級的類”

使用值類型不取決於類型是否簡單

有人認為值類型不能或不應有方法或其他有意義的行為，它們應作為簡單的數據轉移類型來使用，只應該有 public 字段或簡單的屬性。

一個非常典型的反例就是 DateTime 類型：它作為值類型來提供是很有道理的，因為它非常適合作為和數字或字符相似的一個基本單位來使用。另外，它也理應被賦予對它的值執行計算的能力。

總之，具體應該如何決定，應取決於需要的是值類型的語義，還是引用類型的語義，而不是取決於這個類型簡單與否。

使用值類型不一定更節省性能

還有一些人認為值類型節省性能，因為它們不需要垃圾回收，除非被裝箱，不會因類型標識而產生開銷，也不需要解引用。

但在其他方面，引用類型顯得更輕。在傳遞參數、賦值、將值返回和執行類似的操作時，只需復制4或8字節，而不是復制全部數據。

性能問題都不是根據這種判斷來決定的。瓶頸從來都不是想當然的，根據性能進行設計之前，需要衡量不同的選擇。

誤區2：“引用類型保存在堆上，值類型保存在棧上”

第一部分是正確的——引用類型的實例總是在堆上創建的。

但第二部分就有問題了。前面講過，變量的值是在它聲明的位置存儲的。

所以，假定一個類中有一個 int 類型的實例變量，那麽在這個類的任何對象中，該變量的值總是和對象中的其他數據在一起，也就是在堆上。只有局部變量（方法內部聲明的變量）和方法參數在棧上。

對於C# 2及更高版本，很多局部變量並不完全存放在棧中，第5章中的匿名方法會講到這一點。

這些概念符合現實嗎？

一個較有爭議的說法是：寫托管代碼時，應該讓運行時去操心內存的最佳使用方式。事實上，在語言規範中，並沒有對什麽東西應該存儲在什麽地方做出硬性規定。在未來的某個版本的運行時中，也許會允許在棧上創建一些對象（前提是運行時知道這樣可行）。又或者，C#編譯器能生成幾乎完全用不到棧的代碼。

下一個誤區是由於對術語的理解出現了偏差。

誤區3：“對象在C#中默認是通過引用傳遞的”

CLR默認所有方法參數都傳值。

值傳遞值類型

拷貝值類型的值給棧上的局部變量，修改局部變量不影響原值。

值傳遞引用類型

拷貝引用類型的值（引用）給棧上的局部變量，在方法裏修改局部變量指向的堆中的對象，原值（引用）和其指向的是同一個對象，所以都會改變。

但修改方法裏的局部變量為null，只是使該引用指向null，不會對對象造成影響。

引用傳遞值類型

創建在棧上一個局部變量（引用），其指向棧上的原值的地址，在方法裏修改局部變量和值傳遞引用類型是一樣的。

引用傳遞引用類型

僅當方法返回對方法知道的一個對象的引用時，為引用類型使用out和ref才有意義。

CLR via C#對此做了更好的解釋，詳情訪問我在學習CLR via C#是關於值傳遞和引用傳遞的筆記博客

https://www.cnblogs.com/errornull/p/9822570.html

許多人對於裝箱和拆箱的理解也存在一定的誤區，下一節將對此加以澄清。

2.3.4 裝箱和拆箱

C#和.NET提供了一個名為裝箱（boxing）的機制，它允許根據值類型創建一個對象，然後使用對這個新對象的一個引用。

在接觸實際的例子之前，先來回顧兩個重要的事實：

①對於引用類型的變量，它的值永遠是一個引用；

②對於值類型的變量，它的值永遠是該值類型的一個值。

基於這兩個事實，下面3行代碼第一眼看上去似乎沒有太多道理：

int i = 5;
object o = i;
int j =(int) o;

裝箱和拆箱的過程

這裏有兩個變量： i 是值類型的變量， o 是引用類型的變量。

o 的值必須是一個引用，而數字5不是引用，它是一個整數值。實際發生的事情就是裝箱。

運行時將在堆上創建一個包含值（5）的對象（它是一個普通對象）。o 的值是對該新對象的一個引用。該對象的值是原始值的一個副本，改變 i 的值不會改變箱內的值。

第3行執行相反的操作——拆箱。

必須告訴編譯器將 object 拆箱成什麽類型。如果使用了錯誤的類型（比如 o 原先被裝箱成 unit 或者 long ，或者根本就不是一個已裝箱的值），就會拋出一個 InvalidCastException 異常。

同樣，拆箱也會復制箱內的值，在賦值之後， j 和該對象之間不再有任何關系。

另外，將值作為接口表達式使用時——把它賦給一個接口類型的變量，或者把它作為接口類型的參數來傳遞——也會發生裝箱。例如， IComparable x = 5; 語句會對數字5進行裝箱。

裝箱和拆箱影響性能

之所以要留意裝箱和拆箱，是由於它們可能會降低性能。一次裝箱或拆箱操作的開銷是微不足道的，但假如執行千百次這樣的操作，那麽不僅會增大程序本身的操作開銷，還會創建數量眾多的對象，而這些對象會加重垃圾回收器的負擔。

CLR via C#對此做了更多的解釋，詳情訪問我在學習CLR via C#是關於值類型的裝箱和拆箱的筆記博客

https://www.cnblogs.com/errornull/p/9744474.html

2.3.5 值類型和引用類型小結

本節討論了值類型和引用類型的差異，還澄清了圍繞它們存在的一些誤區。下面是一些要點。

①對於引用類型的表達式（如一個變量），它的值是一個引用，而非對象。

②引用就像URL——是允許你訪問真實信息的一小片數據。

③對於值類型的表達式，它的值是實際的數據。

④有時，值類型比引用類型更有效，有時恰好相反。

⑤引用類型的對象總是在堆上，值類型的值既可能在棧上，也可能在堆上，具體取決於上下文。

⑥引用類型作為方法參數使用時，參數默認是以“值傳遞”方式來傳遞的——但值本身是一個引用。

⑦值類型的值會在需要引用類型的行為時被裝箱；拆箱則是相反的過程。

既然我們已經討論了你需要適應的C# 1的所有特性。接著簡單看一下每個特性在更高版本的C#中得到了哪些增強。

C# in Depth學習筆記-值類型和引用類型