C# 深入理解堆疊、堆在記憶體中的實現
部落格原文:
儘管在.NET framework下我們並不需要擔心記憶體管理和垃圾回收(GarbageCollection)，但是我們還是應該瞭解它們，以優化我們的應用程式。同時，還需要具備一些基礎的記憶體管理工作機制的知識，這樣能夠有助於解釋我們日常程式編寫中的變數的行為。在本文中我將講解棧和堆的基本知識，變數型別以及為什麼一些變數能夠按照它們自己的方式工作。
在.NET framework環境下，當我們的程式碼執行時，記憶體中有兩個地方用來儲存這些程式碼。假如你不曾瞭解，那就讓我來給你介紹棧(Stack)和堆(Heap)。棧和堆都用來幫助我們執行程式碼的，它們駐留在機器記憶體中，且包含所有程式碼執行所需要的資訊。
* 棧vs堆：有什麼不同？
棧負責儲存我們的程式碼執行（或呼叫）路徑,而堆則負責儲存物件（或者說資料，接下來將談到很多關於堆的問題）的路徑。
可以將棧想象成一堆從頂向下堆疊的盒子。當每呼叫一次方法時，我們將應用程式中所要發生的事情記錄在棧頂的一個盒子中,而我們每次只能夠使用棧頂的那個盒子。當我們棧頂的盒子被使用完之後，或者說方法執行完畢之後，我們將拋開這個盒子然後繼續使用棧頂上的新盒子。堆的工作原理比較相似，但大多數時候堆用作儲存資訊而非儲存執行路徑，因此堆能夠在任意時間被訪問。與棧相比堆沒有任何訪問限制，堆就像床上的舊衣服，我們並沒有花時間去整理，那是因為可以隨時找到一件我們需要的衣服，而棧就像儲物櫃裡堆疊的鞋盒，我們只能從最頂層的盒子開始取，直到發現那隻合適的。
以上圖片並不是記憶體中真實的表現形式，但能夠幫助我們區分棧和堆。
棧是自行維護的，也就是說記憶體自動維護棧，當棧頂的盒子不再被使用，它將被丟擲。相反的，堆需要考慮垃圾回收，垃圾回收用於保持堆的整潔性，沒有人願意看到周圍都是贓衣服，那簡直太臭了！
* 棧和堆裡有些什麼？
當我們的程式碼執行的時候，棧和堆中主要放置了四種類型的資料：值型別(Value Type)，引用型別(Reference Type)，指標(Pointer)，指令(Instruction)。
1.值型別：
在C#中，所有被宣告為以下型別的事物被稱為值型別：
bool
byte
char
decimal
double
enum
float
int
long
sbyte
short
struct
uint
ulong
ushort
2.引用型別：
所有的被宣告為以下型別的事物被稱為引用型別：
class
interface
delegate
object
string
3.指標：
在記憶體管理方案中放置的第三種類型是型別引用，引用通常就是一個指標。我們不會顯示的使用指標，它們由公共語言執行時（CLR）來管理。指標（或引用）是不同於引用型別的，是因為當我們說某個事物是一個引用型別時就意味著我們是通過指標來訪問它的。指標是一塊記憶體空間，而它指向另一個記憶體空間。就像棧和堆一樣，指標也同樣要佔用記憶體空間，但它的值是一個記憶體地址或者為空。
4.指令：
在後面的文章中你會看到指令是如何工作的...
* 如何決定放哪兒?
這裡有一條黃金規則:
1. 引用型別總是放在堆中。(夠簡單的吧?)
2. 值型別和指標總是放在它們被宣告的地方。(這條稍微複雜點，需要知道棧是如何工作的，然後才能斷定是在哪兒被宣告的。)
就像我們先前提到的，棧是負責儲存我們的程式碼執行(或呼叫)時的路徑。當我們的程式碼開始呼叫一個方法時,將放置一段編碼指令(在方法中)到棧上,緊接著放置方法的引數，然後程式碼執行到方法中的被“壓棧”至棧頂的變數位置。通過以下例子很容易理解...
下面是一個方法（Method）:
public int AddFive(int pValue)
{
int result;
result = pValue + 5;
return result;
}
現在就來看看在棧頂發生了些什麼，記住我們所觀察的棧頂下實際已經壓入了許多別的內容。
首先方法（只包含需要執行的邏輯位元組，即執行該方法的指令，而非方法體內的資料）入棧，緊接著是方法的引數入棧。（我們將在後面討論更多的引數傳遞）
接著，控制（即執行方法的執行緒）被傳遞到堆疊中AddFive()的指令上，
當方法執行時，我們需要在棧上為“result”變數分配一些記憶體，
Themethod finishes execution and our result is returned.
方法執行完成，然後方法的結果被返回。
通過將棧指標指向AddFive()方法曾使用的可用的記憶體地址，所有在棧上的該方法所使用記憶體都被清空，且程式將自動回到棧上最初的方法呼叫的位置(在本例中不會看到)。
在這個例子中，我們的"result"變數是被放置在棧上的，事實上，當值型別資料在方法體中被宣告時，它們都是被放置在棧上的。
值型別資料有時也被放置在堆上。記住這條規則--值型別總是放在它們被宣告的地方。好的，如果一個值型別資料在方法體外被宣告，且存在於一個引用型別中，那麼它將被堆中的引用型別所取代。
來看另一個例子：
假如我們有這樣一個MyInt類（它是引用型別因為它是一個類型別）：
public class MyInt
{
publicint MyValue;
}
然後執行下面的方法:
public MyInt AddFive(int pValue)
{
MyInt result = new MyInt();
result.MyValue = pValue + 5;
return result;
}
就像前面提到的，方法及方法的引數被放置到棧上，接下來，控制被傳遞到堆疊中AddFive()的指令上。
接著會出現一些有趣的現象...
因為"MyInt"是一個引用型別,它將被放置在堆上,同時在棧上生成一個指向這個堆的指標引用。
在AddFive()方法被執行之後，我們將清空...
我們將剩下孤獨的MyInt物件在堆中（棧中將不會存在任何指向MyInt物件的指標!）
這就是垃圾回收器（後簡稱GC）起作用的地方。當我們的程式達到了一個特定的記憶體閥值，我們需要更多的堆空間的時候，GC開始起作用。GC將停止所有正在執行的執行緒，找出在堆中存在的所有不再被主程式訪問的物件，並刪除它們。然後GC會重新組織堆中所有剩下的物件來節省空間，並調整棧和堆中所有與這些物件相關的指標。你肯定會想到這個過程非常耗費效能，所以這時你就會知道為什麼我們需要如此重視棧和堆裡有些什麼，特別是在需要編寫高效能的程式碼時。
Ok...這太棒了, 當它是如何影響我的？
Goodquestion.
當我們使用引用型別時，我們實際是在處理該型別的指標，而非該型別本身。當我們使用值型別時，我們是在使用值型別本身。聽起來很迷糊吧？
同樣，例子是最好的描述。
假如我們執行以下的方法：
public int ReturnValue()
{
int x = new int();
x = 3;
int y = new int();
y = x;
y = 4;
return x;
}
我們將得到值3，很簡單，對吧？
假如我們首先使用MyInt類
public class MyInt
{
public int MyValue;
}
接著執行以下的方法：
public int ReturnValue2()
{
MyInt x = new MyInt();
x.MyValue = 3;
MyInt y = new MyInt();
y =x;
y.MyValue =4;
return x.MyValue;
}
我們將得到什麼？... 4!
為什麼？... x.MyValue怎麼會變成4了呢？... 看看我們所做的然後就知道是怎麼回事了：
在第一例子中，一切都像計劃的那樣進行著：
public int ReturnValue()
{
int x = 3;
int y = x;
y = 4;
return x;
}
在第二個例子中，我們沒有得到"3"是因為變數"x"和"y"都同時指向了堆中相同的物件。
public intReturnValue2()
{
MyInt x;
x.MyValue = 3;
MyInt y;
y =x;
y.MyValue = 4;
return x.MyValue;
}
希望以上內容能夠使你對C#中的值型別和引用型別的基本區別有一個更好的認識，並且對指標及指標是何時被使用的有一定的基本瞭解。在系列的下一個部分，我們將深入記憶體管理並專門討論方法引數。