[你必須知道的.NET]第九回：品味類型---值類型與引用類型（中）－規則無邊

現在，我們從幾個角度延伸了上回對值類型和引用類型的分析，正如本文開頭所言，對類型的把握還有很多可以挖掘的要點，但是以偏求全的辦法我認為還是可取的，尤其是在技術探求的過程中，力求面面俱到的做法并不是好事。以上的幾個角度，我認為是對值類型和引用類型把握的必經之路，否則在實際的系統開發中常常會在細小的地方栽跟頭，摸不著頭腦。品味類型，我們以應用為要點撬開值類型和引用類型的規矩與方圓。品味類型，我們將以示例為導航，開動一個層面的深入分析，下回《第十回：品味類型---值類型與引用類型（下）－應用征途》我們再見。

發布日期：2007.5.28 作者：Anytao

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接上回[第八回：品味類型---值類型與引用類型（上）－內存有理]的探討，繼續我們關注值類型和引用類型的話題。

本文將介紹以下內容：

類型的基本概念
值類型深入
引用類型深入
值類型與引用類型的比較及應用

1. 引言

上回[第八回：品味類型---值類型與引用類型（上）－內存有理]的發布，受到大家的不少關注，我們從內存的角度了解了值類型和引用類型的所以然，留下的任務當然是如何應用類型的不同特點在系統設計、性能優化等方面發揮其作用。因此，本回是對上回有力的補充，同時應朋友的希望，我們盡力從內存調試的角度來著眼一些設計的分析，這樣就有助于對這一主題進行透徹和全面的理解，當然這也是下一回的重點。

從內存角度來討論值類型和引用類型是有理有據的，而從規則的角度來了解值類型和引用類型是無邊無際的。本文旨在從上文呼應的角度，來把這個主題徹底的融會貫通，無邊無跡的應用，還是來自反復無常的實踐，因此對應用我只能說以一個角度來闡釋觀點，但是肯定不可能力求全局。因此，我們從以下幾個角度來完成對值類型與引用類型應用領域的討論。

2. 通用規則與比較

通用有規則：

string類型是個特殊的引用類型，它繼承自System.Object肯定是個引用類型，但是在應用表現上又凸現出值類型的特點，那么究竟是什么原因呢？例如有如下的一段執行：

簡單的說是由于string的immutable特性，因此每次對string的改變都會在托管堆中產生一個新的string變量，上述string作為參數傳遞時，實際上執行了s=s操作，在托管堆中會產生一個新的空間，并執行數據拷貝，所以才有了類似于按值傳遞的結果。但是根據我們的內存分析可知，string在本質上還是一個引用類型，在參數傳遞時發生的還是按址傳遞，不過由于其特殊的恒定特性，在函數內部新建了一個string對象并完成初始化，但是函數外部取不到這個變化的結果，因此對外表現的特性就類似于按值傳遞。至于string類型的特殊性解釋，我推薦Artech的大作《深入理解string和如何高效地使用string》。

另外，string類型重載了==操作符，在類型比較是比較的是實際的字符串，而不是引用地址，因此有以下的執行結果：

            string aString = "123";
            string bString = "123";
            Console.WriteLine((aString == bString)); //顯示為true，等價于aString.Equals(bString)；
            string cString = bString;
            cString = "456";
            Console.WriteLine((bString == cString)); //顯示為false，等價于bString.Equals(cString)；

通常可以使用Type.IsValueType來判斷一個變量的類型是否為值類型，典型的操作為：

    public struct MyStructTester
    { }

    public class isValueType_Test
    {
        public static void Main()
        {
            MyStructTester aStruct = new MyStructTester();
            Type type = aStruct.GetType();
            if (type.IsValueType)
            {
                Console.WriteLine("{0} belongs to value type.", aStruct.ToString());
            }

        }
    }

.NET中以操作符ref和out來標識值類型按引用類型方式傳遞，其中區別是：ref在參數傳遞之前必須初始化；而out則在傳遞前不必初始化，且在傳遞時必須顯式賦值。
值類型與引用類型之間的轉換過程稱為裝箱與拆箱，這值得我們以專門的篇幅來討論，因此留待后文詳細討論這一主題。
sizeof()運算符用于獲取值類型的大小，但是不適用于引用類型。
值類型使用new操作符完成初始化，例如：MyStruct aTest = new MyStruct(); 而單純的定義沒有完成初始化動作，此時對成員的引用將不能通過編譯，例如：

MyStruct aTest;
Console.WriteLine(aTest.X);

引用類型在性能上欠于值類型主要是因為以下幾個方面：引用類型變量要分配于托管堆上；內存釋放則由GC完成，造成一定的CG堆壓力；同時必須完成對其附加成員的內存分配過程；以及對象訪問問題。因此，.NET系統不能由純粹的引用類型來統治，性能和空間更加優越和易于管理的值類型有其一席之地，這樣我們就不會因為一個簡單的byte類型而進行復雜的內存分配和釋放工作。Richter就稱值類型為“輕量級”類型，簡直恰如其分，處理數據較小的情況時，應該優先考慮值類型。
值類型都繼承自System.ValueType，而System.ValueType又繼承自System.Object，其主要區別是ValueType重寫了Equals方法，實現對值類型按照實例值比較而不是引用地址來比較，具體為：

char a = 'c';
char b = 'c';
Console.WriteLine((a.Equals(b))); //會返回true;

基元類型，是指編譯器直接支持的類型，其概念其實是針對具體編程語言而言的，例如C#或者VB.NET，通常對應用.NET Framework定義的內置值類型。這是概念上的界限，不可混淆。例如：int對應于System.Int32，float對應于System.Single。

比較出真知：

值類型繼承自ValueType（注意：而System.ValueType又繼承自System.Object）；而引用類型繼承自System.Object。
值類型變量包含其實例數據，每個變量保存了其本身的數據拷貝（副本），因此在默認情況下，值類型的參數傳遞不會影響參數本身；而引用類型變量保存了其數據的引用地址，因此以引用方式進行參數傳遞時會影響到參數本身，因為兩個變量會引用了內存中的同一塊地址。
值類型有兩種表示：裝箱與拆箱；引用類型只有裝箱一種形式。我會在下節以專門的篇幅來深入討論這個話題。
典型的值類型為：struct，enum以及大量的內置值類型；而能稱為類的都可以說是引用類型。 struct和class主要的區別可以參見我的拙作《第四回：后來居上：class和struct》來詳細了解，也是對值類型和引用類型在應用方面的有力補充。
值類型的內存不由GC（垃圾回收，Gabage Collection）控制，作用域結束時，值類型會自行釋放，減少了托管堆的壓力，因此具有性能上的優勢。例如，通常struct比class更高效；而引用類型的內存回收，由GC來完成，微軟甚至建議用戶最好不要自行釋放內存。
值類型是密封的（sealed），因此值類型不能作為其他任何類型的基類，但是可以單繼承或者多繼承接口；而引用類型一般都有繼承性。
值類型不具有多態性；而引用類型有多態性。
值類型變量不可為null值，值類型都會自行初始化為0值；而引用類型變量默認情況下，創建為null值，表示沒有指向任何托管堆的引用地址。對值為null的引用類型的任何操作，都會拋出NullReferenceException異常。
值類型有兩種狀態：裝箱和未裝箱，運行庫提供了所有值類型的已裝箱形式；而引用類型通常只有一種形式：裝箱。

3. 對癥下藥－應用場合與注意事項

現在，在內存機制了解和通用規則熟悉的基礎上，我們就可以很好的總結出值類型和引用類型在系統設計時，如何作出選擇？當然我們的重點是告訴你，如何去選擇使用值類型，因為引用類型才是.NET的主體，不必花太多的關照就可以贏得市場。

3.1 值類型的應用場合

MSDN中建議以類型的大小作為選擇值類型或者引用類型的決定性因素。數據較小的場合，最好考慮以值類型來實現可以改善系統性能；
結構簡單，不必多態的情況下，值類型是較好的選擇；
類型的性質不表現出行為時，不必以類來實現，那么用以存儲數據為主要目的的情況下，值類型是優先的選擇；
參數傳遞時，值類型默認情況下傳遞的是實例數據，而不是內存地址，因此數據傳遞情況下的選擇，取決于函數內部的實現邏輯。值類型可以有高效的內存支持，并且在不暴露內部結構的情況下返回實例數據的副本，從安全性上可以考慮值類型，但是過多的值傳遞也會損傷性能的優化，應適當選擇；
值類型沒有繼承性，如果類型的選擇沒有子類繼承的必要，優先考慮值類型；
在可能會引起裝箱與拆箱操作的集合或者隊列中，值類型不是很好的選擇，因為會引起對值類型的裝箱操作，導致額外內存的分配，例如在Hashtable。關于這點我將在后續的主題中重點討論。

3.2 引用類型的應用場合

可以簡單的說，引用類型是.NET世界的全值殺手，我們可以說.NET世界就是由類構成的，類是面向對象的基本概念，也是程序框架的基本要素，因此靈活的數據封裝特性使得引用類型成為主流；
引用類型適用于結構復雜，有繼承、有多態，突出行為的場合；
參數傳遞情況也是考慮的必要因素；

4. 再論類型判等

類型的比較通常有Equals()、ReferenceEquals()和==/!=三種常見的方法，其中核心的方法是Equals。我們知道Equals是System.Object提供的虛方法，用于比較兩個對象是否指向相同的引用地址，.NET Framework的很多類型都實現了對Equals方法的重寫，例如值類型的“始祖”System.ValueType就重載了Equal方法，以實現對實例數據的判等。因此，類型的判等也要從重寫或者重載Equals等不同的情況具體分析，對值類型和引用類型判等，這三個方法各有區別，應多加注意。

4.1 值類型判等

Equals，System.ValueType重載了System.Object的Equals方法，用于實現對實例數據的判等。
ReferenceEquals，對值類型應用ReferenceEquals將永遠返回false。
==，未重載的==的值類型，將比較兩個值是否“按位”相等。

4.2 引用類型判等

Equals，主要有兩種方法，如下

public virtual bool Equals(object obj);
public static bool Equals(object objA, object objB);

一種是虛方法，默認為引用地址比較；而靜態方法，如果objA是與objB相同的實例，或者如果兩者均為空引用，或者如果objA.Equals(objB)返回true，則為true；否則為false。.NET的大部分類都重寫了Equals方法，因此判等的返回值要根據具體的重寫情況決定。

ReferenceEquals，靜態方法，只能用于引用類型，用于比較兩個實例對象是否指向同一引用地址。
==，默認為引用地址比較，通常進行實現了==的重載，未重載==的引用類型將比較兩個對象是否引用地址，等同于引用類型的Equals方法。因此，很多的.NET類實現了對==操作符的重載，例如System.String的==操作符就是比較兩個字符串是否相同。而==和equals方法的主要區別，在于多態表現上，==是被重載，而Equals是重寫。

有必要在自定義的類型中，實現對Equals和==的重寫或者重載，以提高性能和針對性分析。

5. 再論類型轉換

類型轉換是引起系統異常一個重要的因素之一，因此在有必要在這個主題里做以簡單的總結，我們不力求照顧全面，但是追去提綱挈領。常見的類型轉換包括：

隱式轉換：由低級類型項高級類型的轉換過程。主要包括：值類型的隱式轉換，主要是數值類型等基本類型的隱式轉換；引用類型的隱式轉換，主要是派生類向基類的轉換；值類型和引用類型的隱士轉換，主要指裝箱和拆箱轉換。
顯示轉換：也叫強制類型轉換。但是轉換過程不能保證數據的完整性，可能引起一定的精度損失或者引起不可知的異常發生。轉換的格式為，

(type)(變量、表達式)

例如：int a = (int)(b + 2.02);