C#中的參照型別以及特殊參照型別詳解

2022-07-31 14:02:01

基本

哪些屬於參照型別

類(object,string)，介面、陣列、委託

參照型別分配在哪裡

參照型別變數位於執行緒棧。
參照型別範例分配在託管堆上。
當參照型別範例的大小小於85000bytes，被分配在GC堆上，當大於或等於85000bytes，被分配在LOH(Large Object Heap)上。

變數(Variable)，物件(Object),範例(Instance)

變數：
變數分配線上程棧上。
變數可以是值型別，也可以是參照型別。
當變數是參照型別時，包含了對物件的參照(記憶體地址),也叫做"物件參照"。

物件：
對類、介面、委託和陣列等的一個抽象描述。

範例：
在堆上建立的物件，稱為物件範例。

參照型別沒有new意味著什麼？

Object a = null;
Console.WriteLine(a.ToString());
執行報錯"未將物件參照設定到物件範例"。
意思是，線上程棧上建立的變數a沒有指向到堆上的物件範例。

託管堆上的垃圾回收

GC會遍歷所有託管堆上的物件，按照一定的遞迴遍歷演演算法，對那些沒有被參照的不可存取物件實施回收。

new的背後發生了什麼

    class Program 
    { 
        static void Main(string[] args) 
        { 
            Person p; 
            p = new Person(20); 
        } 
    }

    public class Person 
    { 
        public int _age;

        public Person(int age) 
        { 
            _age = age; 
        }

        public Person() 
        { 
            
        } 
    }

另外，參照型別的值，比如這裡的參照型別Person中的值_age也被分配在託管堆上。

執行緒棧上的2個變數參照同一個物件範例的記憶體地址

執行緒棧上的2個變數參照同一個物件範例的記憶體地址，改變其中一個變數的值會影響到另外一個變數。

    class Program 
    { 
        static void Main(string[] args) 
        { 
            Person p1 = new Person(20); 
            Person p2 = p1; 
            Console.WriteLine("沒有改變時p2的年齡是：" + p2._age + "歲"); 
            p1._age = 18; 
            Console.WriteLine("改變p1的值，p2的年齡也被改變了，現在是：" + p2._age + "歲,真好，年輕了！"); 
            Console.ReadKey(); 
        } 
    }

    public class Person 
    { 
        public int _age;

        public Person(int age) 
        { 
            _age = age; 
        }

        public Person() 
        { 
            
        } 
    }

string型別是特殊的參照型別

特殊性體現在

從應用角度體現了值型別語意，從記憶體角度實現為參照型別儲存，位於託管堆。

什麼是string

可以看作是char的集合char[]

string建立與範例化

string str = "Hello";

以下錯誤
String str = new String("Hello");
因為System.String沒有提供此建構函式

以下可以
Char[] cs = {'a', 'b','c'};
String strArr = new String(cs);
但很少使用這種方式。

字串的恆定性Immutability

是指字串一經建立，就不可改變。
字串一旦建立，在託管堆上分配一塊連續的記憶體空間。

恆定性的好處：
對String物件的任意操作，不會改變原字串。
操作字串不會出現執行緒同步的問題。
成就了字串駐留。

恆定性的不足：
因為恆定性，對字串的任何操作，比如字串比較，字串連結，字串格式化等都會建立新的字串，這樣造成記憶體與效能的雙重損耗。如下：

public static void Main() 
{ 
    string str = "This is a test about immuntablility of string type."; 
    Console.WriteLine(str.Inseert(0,"Hi").Substring(19).ToUpper()); 
    Console.WriteLine(str); 
}

由於Insert，Substring,ToUpper這些方法，都會建立出新的臨時字串，而這些新的字串不被其他程式碼參照的時候，就會被垃圾回收，造成效能上的損失。

恆定性的前提，String為密封類：

public sealed class String:IComparable, ICloneable,IConvertible,IComparable<string>,IEnumerable<char>,IEnumerable,IEquatable<string>

字串駐留String Interning

MSDN對於字元駐留的定義：公共語言執行庫通過維護一個雜湊表(Hash Table)來存放字串，該表成為拘留池，也叫駐留池。

字串駐留彌補了恆定性的不足：
對於相同的字串，CLR不會不會為其分配記憶體空間，而是共用同一記憶體。
CLR內部維護了一個雜湊表HashTable來管理其建立的大部分String物件。key是string本身,value是string對應的記憶體地址。

駐留的2個靜態方法：
public static string Intern(string str);
當str位於作為key位於CLR的駐留池時，返回對str的參照，否則將str字串新增到hash table中，作為key，並返回參照。

public static string IsInterned(string str);
當str位於作為key位於CLR的駐留池時，返回對str的參照，否則返回null參照,也不新增到hash table中。

字串駐留是程序級的

可以跨應用程式域AppDomain而存在，駐留池在CLR載入時建立，分配在System Domain中，被程序所有AppDomain所共用，其生命週期不受GC控制。

例子1：

        static void Main(string[] args) 
        { 
            string strA = "ab"; 
            string strB = "ab"; 
            Console.WriteLine(ReferenceEquals(strA,strB)); 
            string strC = "a"; 
            string strD = strC + "b"; 
            Console.WriteLine(ReferenceEquals(strA, strD)); 
            strD = String.Intern(strD); 
            Console.WriteLine(ReferenceEquals(strA,strD)); 
            Console.ReadKey(); 
        }

true
false
true

分析：

strA與strB內容相同，在hash table中的key相同，對應了一樣的參照地址，所以返回true。
strD的內容雖然與strA相同，但由於是動態生成的，不會把hash table中key為ab的參照地址賦值給strD,所以strA與strD參照地址不一樣，返回false。
strD = String.Intern(strD);手動對strD實施駐留，並行現hash table中已經有了ab這個key，就把對應的參照地址賦值給了strD,這樣，strA與strD參照地址相同，返回true。

例子2：

        static void Main(string[] args) 
        { 
            string s1 = "abc"; 
            string s2 = "ab"; 
            string s3 = s2 + "c"; 
            Console.WriteLine(string.IsInterned(s3) ?? "null"); 
            Console.WriteLine(ReferenceEquals(s1,s3)); 
            Console.ReadKey(); 
        }

abc
false

分析：

string.IsInterned(s3)對s3進行手動駐留，發現hash table中abc這個key,於是，就返回abc的參照地址。但並沒有把參照地址賦值給s3。
s1和s3的參照地址還是不一樣，返回false。

例子3：

        static void Main(string[] args) 
        { 
            string strA = "abcdef"; 
            string strC = "abc"; 
            string strD = strC + "def"; 
            Console.WriteLine(ReferenceEquals(strA,strD)); 
            string StrE = "abc" + "def"; 
            Console.WriteLine(ReferenceEquals(strA,StrE)); 
            Console.ReadKey(); 
        }

False,
true

分析：

因為strD = strC + "def"中strD的內容雖然與strA想同，但因為是動態生成的，不會被新增到hash table中，所以參照地址不一樣，返回false。
"abc"+"def在IL中呈現為abcdef，不是動態生成的，並且發現hash table中已經有了abcdef這個key,於是就把對應的參照地址賦值給了strE,這樣strA和StrE就有了相同的參照地址，返回true。如圖：

例子4：

        static void Main(string[] args) 
        { 
            string s = "abc"; 
            //IsInterned()獲取字串變數的參照 
            Console.WriteLine(string.IsInterned(s) ?? "null"); 
            Console.ReadKey(); 
        }

"abc"。

分析：通過string s = "abc"使得hash table中有abc這個key，當進行string.IsInterned(s)手動駐留判斷的時候，發現有abc這個key，就把對應的參照地址返回。

例子5：

    class Program 
    { 
        static void Main(string[] args) 
        { 
            string s = "ab"; 
            s += "c"; 
            //IsInterned()獲取字串變數的參照 
            Console.WriteLine(string.IsInterned(s) ?? "null"); 
            Console.ReadKey(); 
        } 
    }