C# 類型基礎——你可能忽略的技術細節

引言 　　本文之初的目的是講述設計模式中的 PRototype(原型)模式，但是如果想較清楚地弄明白這個模式，需要了解對象克隆(Object Clone)，Clone 其實也就是對象復制。復制又分為了淺度復制(Shallow Copy)和 深度復制(Deep Copy)，淺度復制 和 深度復制又是以 如何復制引用類型成員來劃分的。由此又引出了 引用類型 和 值類型，以及相關的對象判等、裝箱、拆箱等基礎知識。

　　于是我干脆新起一篇，從最基礎的類型開始自底向上寫起了。我僅僅想將對于這個主題的理解表述出來，一是總結和復習，二是交流經驗，或許有地方我理解的有偏差，希望指正。如果前面基礎的內容對你來說過于簡單，可以跳躍閱讀。

值類型 和 引用類型 　　我們先簡單回顧一下 C#中的類型系統。C# 中的類型一共分為兩類，一類是值類型(Value Type)，一類是引用類型(Reference Type)。值類型 和 引用類型是以它們在計算機內存中是如何被分配的來劃分的。值類型包括 結構和枚舉，引用類型包括 類、接口、委托 等。還有一種特殊的值類型，稱為簡單類型(Simple Type)，比如 byte，int 等，這些簡單類型實際上是 FCL類庫類型的別名，比如聲明一個 int 類型，實際上是聲明一個 System.Int32 結構類型。因此，在 Int32 類型中定義的操作，都可以應用在 int 類型上，比如 “123.Equals(2)”。 　　所有的 值類型 都隱式地繼承自 System.ValueType 類型(注意 System.ValueType 本身是一個類類型)，System.ValueType 和所有的引用類型都繼承自 System.Object 基類。你不能顯示地讓結構繼承一個類，因為 C#不支持多重繼承，而結構已經隱式繼承自 ValueType。

　　NOTE：堆棧(stack)是一種后進先出的數據結構，在內存中，變量會被分配在堆棧上來進行操作。堆(heap)是用于為類型實例(對象)分配空間的內存區域，在堆上創建一個對象，會將對象的地址傳給堆棧上的變量(反過來叫變量指向此對象，或者變量引用此對象)。 

1.值類型 　　當聲明一個值類型的變量(Variable)的時候，變量本身包含了值類型的全部字段，該變量會被分配在線程堆棧(Thread Stack)上。 　　假如我們有這樣一個值類型，它代表了直線上的一點：

public struct ValPoint { 　　public int x; 　　public ValPoint(int x) 　　{ 　　　　this.x = x; 　　} } 

　　當我們在程序中寫下這樣的一條變量的聲明語句時：

ValPoint vPoint1; 

　　實際產生的效果是聲明了 vPoint1 變量，變量本身包含了值類型的所有字段(即你想要的所有數據)。 　　

　　NOTE：如果觀察 MSIL 代碼，會發現此時變量還沒有被壓到棧上，因為.maxstack(最高棧數) 為 0。并且沒有看到入棧的指令，這說明只有對變量進行操作，才會進行入棧。 

　　因為變量已經包含了值類型的所有字段，所以，此時你已經可以對它進行操作了(對變量進行操作，實際上是一系列的入棧、出棧操作)。

vPoint1.x = 10; Console.WriteLine(vPoint.x); // 輸出 10 

　NOTE：如果 vPoint1是一個引用類型(比如 class)，在運行時會拋出 NullReferenceException異常。因為 vPoint 是一個值類型，不存在引用，所以永遠也不會拋出 NullReferenceException。 

　　如果你不對 vPoint.x 進行賦值，直接寫 Console.WriteLine(vPoint.x)，則會出現編譯錯誤：使用了未賦值的局部變量。產生這個錯誤是因為.Net 的一個約束：所有的元素使用前都必須初始化。比如這樣的語句也會引發這個錯誤：

int i; Console.WriteLine(i); 

　　解決這個問題我們可以通過這樣一種方式：編譯器隱式地會為結構類型創建了無參數構造函數。在這個構造函數中會對結構成員進行初始化，所有的值類型成員被賦予 0 或相當于 0 的值(針對 Char 類型)，所有的引用類型被賦予 null 值。(因此，Struct 類型不可以自行聲明無參數的構造函數)。所以，我們可以通過隱式聲明的構造函數去創建一個 ValPoint 類型變量：

ValPoint vPoint1 = new ValPoint(); Console.WriteLine(vPoint.x); // 輸出為0

　　我們將上面代碼第一句的表達式由“=”分隔拆成兩部分來看：

　　A左邊 ValPoint vPoint1，在堆棧上創建一個 ValPoint 類型的變量 vPoint，結構的所有成員均未賦值。在進行 new ValPoint()之前，將 vPoint 壓到棧上。 　　B右邊 new ValPoint()，new 操作符不會分配內存，它僅僅調用 ValPoint 結構的默認構造函數，根據構造函數去初始化 vPoint 結構的所有字段。 　　注意上面這句，new 操作符不會分配內存，僅僅調用 ValPoint 結構的默認構造函數去初始化 vPoint 的所有字段。那如果我這樣做，又如何解釋呢？

Console.WriteLine((new ValPoint()).x); // 正常，輸出為0 

　　在這種情況下，會創建一個臨時變量，然后使用結構的默認構造函數對此臨時變量進行初始化。我知道我這樣很沒有說服力，所以我們來看下 MS IL 代碼，為了節省篇幅，我只節選了部分：

.locals init ([0] valuetype Prototype.ValPoint CS$0$0000) // 聲明臨時變量 IL_0000: nop IL_0001: ldloca.s CS$0$0000 // 將臨時變量壓棧 IL_0003: initobj Prototype.ValPoint // 初始化此變量 

　　而對于 ValPoint vPoint = new ValPoint(); 這種情況，其 MSIL 代碼是：

.locals init ([0] valuetype Prototype.ValPoint vPoint) // 聲明vPoint IL_0000: nop IL_0001: ldloca.s vPoint // 將vPoint 壓棧 IL_0003: initobj Prototype.ValPoint // 使用initobj初始化此變量 

　　那么當我們使用自定義的構造函數時，ValPoint vPoint = new ValPoint(10)，又會怎么樣呢？通過下面的代碼我們可以看出，實際上會使用 call 指令(instruction)調用我們自定義的構造函數，并傳遞 10 到參數列表中。

.locals init ([0] valuetype Prototype.ValPoint vPoint) IL_0000: nop IL_0001: ldloca.s vPoint // 將 vPoint 壓棧 IL_0003: ldc.i4.s 10 // 將 10 壓棧 // 調用構造函數，傳遞參數 IL_0005: call instance void Prototype.ValPoint::.ctor(int32) 

　　對于上面的 MSIL 代碼不清楚不要緊，有的時候知道結果就已經夠用了。關于 MSIL 代碼，有空了我會為大家翻譯一些好的文章。

2.引用類型 　　當聲明一個引用類型變量的時候，該引用類型的變量會被分配到堆上，這個變量將用于保存位于堆上的該引用類型的實例 的內存地址，變量本身不包含對象的數據。此時，如果僅僅聲明這樣一個變量，由于在堆上還沒有創建類型的實例，因此，變量值為 null，意思是不指向任何類型實例(堆上的對象)。對于變量的類型聲明，用于限制此變量可以保存的類型實例的地址。 　　如果我們有一個這樣的類，它依然代表直線上的一點：

public class RefPoint { 　　public int x; 　　public RefPoint(int x) 　　{ 　　　　this.x = x; 　　} 　　public RefPoint() {} } 

　　當我們僅僅寫下一條聲明語句：

RefPoint rPoint1; 

　　它的效果就向下圖一樣，僅僅在堆棧上創建一個不包含任何數據，也不指向任何對象(不包含創建再堆上的對象的地址)的變量。 　　　　而當我們使用 new 操作符時：

rPoint1= new RefPoint(1); 

　　會發生這樣的事： 　　　　1. 在應用程序堆 (Heap)上創建一個引用類型 (Type)的實例 (Instance)或者叫對象(Object)，并為它分配內存地址。 　　　　2. 自動傳遞該實例的引用給構造函數。(正因為如此，你才可以在構造函數中使用 this來訪問這個實例。) 　　　　3. 調用該類型的構造函數。 　　　　4. 返回該實例的引用(內存地址)，賦值給 rPoint 變量。

3.關于簡單類型 　　很多文章和書籍中在講述這類問題的時候，總是喜歡用一個 int 類型作為 值類型 和一個Object 類型 作為引用類型來作說明。本文中將采用自定義的一個 結構 和 類 分別作值類型和引用類型的說明。這是因為簡單類型(比如 int)有一些 CLR 實現了的行為，這些行為會讓我們對一些操作產生誤解。 舉個例子，如果我們想比較兩個 int 類型是否相等，我們會通常這樣：

int i = 3; int j = 3; if(i==j) Console.WriteLine("i equals to j"); 

　　但是，對于自定義的值類型，比如結構，就不能用 “==”來判斷它們是否相等，而需要在變量上使用 Equals()方法來完成。 　　再舉個例子，大家知道 string 是一個引用類型，而我們比較它們是否相等，通常會這樣做：

string a = "123456"; string b = "123456"; if(a == b) Console.WriteLine("a Equals to b"); 

　　實際上，在后面我們就會看到，當使用“==”對引用類型變量進行比較的時候，比較的是它們是否指向的堆上同一個對象。而上面 a、b 指向的顯然是不同的對象，只是對象包含的值相同，所以可見，對于 string 類型，CLR 對它們的比較實際上比較的是值，而不是引用。

　　為了避免上面這些引起的混淆，在對象判等部分將采用自定義的結構和類來分別說明。

裝箱 和 拆箱 　　這部分內容可深可淺，本文只簡要地作一個回顧。簡單來說，裝箱 就是 將一個值類型轉換成等值的引用類型。它的過程分為這樣幾步： 　　　　1. 在堆上為新生成的對象(該對象包含數據，對象本身沒有名稱)分配內存。 　　　　2. 將 堆棧上 值類型變量的值拷貝到 堆上的對象 中。 　　　　3. 將堆上創建的對象的地址返回給引用類型變量(從程序員角度看，這個變量的名稱就好像堆上對象的名稱一樣)。 　　當我們運行這樣的代碼時：

int i = 1; Object boxed = i; Console.WriteLine("Boxed Point: " + boxed); 

　　效果圖是這樣的： 　　MSIL 代碼是這樣的：

.method private hidebysig static void Main(string[] args) cil managed { .entrypoint // 代碼大小 19 (0x13) .maxstack 1 // 最高棧數是1，裝箱操作后i會出棧 .locals init ([0] int32 i, // 聲明變量 i(第1個變量，索引為0) [1] object boxed) // 聲明變量 boxed (第2個變量，索引為1) IL_0000: nop IL_0001: ldc.i4.s 10 //#1 將10壓棧 IL_0003: stloc.0 //#2 10 出棧，將值賦給 i IL_0004: ldloc.0 //#3 將i壓棧 IL_0005: box [mscorlib]System.Int32 //#4 i出棧，對i裝箱(復制值到堆，返回地址) IL_000a: stloc.1 //#5 將返回值賦給變量 boxed IL_000b: ldloc.1 // 將 boxed 壓棧 // 調用WriteLine()方法 IL_000c: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(object) IL_0011: nop IL_0012: ret } // end of method Program::Main 

　　而拆箱則是將一個 已裝箱的引用類型 轉換為值類型：

int i = 1; Object boxed = i; int j; j = (int)boxed; // 顯示聲明 拆箱后的類型 Console.WriteLine("UnBoxed Point: " + j); 

　　需要注意的是：UnBox 操作需要顯示聲明拆箱后轉換的類型。它分為兩步來完成： 　　　　1. 獲取已裝箱的對象的地址。 　　　　2. 將值從堆上的對象中拷貝到堆棧上的值變量中。

對象判等 　　因為我們要提到對象克隆(復制)，那么，我們應該有辦法知道復制前后的兩個對象是否相等。所以，在進行下面的章節前，我們有必要先了解如何進行對象判等。

　　NOTE：有機會較深入地研究這部分內容，需要感謝 微軟的開源 以及 VS2008 的FCL調試功能。關于如何調試 FCL 代碼，請參考 Configuring Visual Studio to Debug .NET Framework Source Code。 

　　我們先定義用作范例的兩個類型，它們代表直線上的一點，唯一區別是一個是引用類型class，一個是值類型 struct：

public class RefPoint{ // 定義一個引用類型 　　public int x; 　　public RefPoint(int x) { 　　this.x = x; 　　} } public struct ValPoint { // 定義一個值類型 　　public int x; 　　public ValPoint(int x)   { 　　　　this.x = x; 　　} }

1.引用類型判等 　　我們先進行引用類型對象的判等，我們知道在 System.Object 基類型中，定義了實例方法Equals(object obj) ， 靜 態 方 法 Equals(object objA, object objB) ， 靜 態 方 法 ReferenceEquals(object objA, object objB) 來進行對象的判等。 　　我們先看看這三個方法，注意我在代碼中用 #number 標識的地方，后文中我會直接引用：

public static bool ReferenceEquals (Object objA, Object objB) { 　　return objA == objB; // #1 } public virtual bool Equals(Object obj) { 　　return InternalEquals(this, obj); // #2 } public static bool Equals(Object objA, Object objB) { 　　if (objA==objB)  // #3 　　　　return true; 　　if (objA==null || objB==null) 　　　  return false; 　　return objA.Equals(objB); // #4 } 

　　我們先看 ReferenceEquals(object objA, object objB)方法，它實際上簡單地返回 objA == objB，所以，在后文中，除非必要，我們統一使用 objA == objB(省去了 ReferenceEquals 方法)。另外，為了范例簡單，我們不考慮對象為 null 的情況。 　　我們來看第一段代碼：

// 復制對象引用 bool result; RefPoint rPoint1 = new RefPoint(1); RefPoint rPoint2 = rPoint1; result = (rPoint1 == rPoint2); // 返回 true; Console.WriteLine(resul