1、 1 / 17 C# 类型基础C# 类型基础引言本文之初的目的是讲述设计模式中的 Prototype(原型)模式，但是如果想较清楚地弄明白这个模式，需要了解对象克隆(Object Clone)，Clone 其实也就是对象复制。复制又分为了浅度复制(Shallow Copy)和深度复制(Deep Copy)，浅度复制 和 深度复制又是以 如何复制引用类型成员来划分的。由此又引出了 引用类型和 值类型，以及相关的对象判等、装箱、拆箱等基础知识。于是我干脆新起一篇，从最基础的类型开始自底向上写起了。我仅仅想将对于这个主题的理解表述出来，一是总结和复习，二是交流经验，或许有地方我理解的有偏差，希望指正
2、。如果前面基础的内容对你来说过于简单，可以跳跃阅读。值类型 和 引用类型我们先简单回顾一下 C#中的类型系统。C# 中的类型一共分为两类，一类是值类型(Value Type)，一类是引用类型(Reference Type)。值类型 和 引用类型是以它们在计算机内存中是如何被分配的来划分的。值类型包括 结构和枚举，引用类型包括类、接口、委托 等。还有一种特殊的值类型，称为简单类型(Simple Type)，比如 byte，int 等，这些简单类型实际上是 FCL 类库类型的别名，比如声明一个 int 类型，实际上是声明一个 System.Int32 结构类型。因此，在 Int32 类型中定义的操
3、作，都可以应用在 int 类型上，比如 “123.Equals(2)”。所有的 值类型 都隐式地继承自 System.ValueType 类型(注意 System.ValueType 本身是一个类类型)，System.ValueType 和所有的引用类型都继承自 System.Object 基类。你不能显示地让结构继承一个类，因为 C#不支持多重继承，而结构已经隐式继承自 ValueType。NOTE：堆栈(stack)是一种后进先出的数据结构，在内存中，变量会被分配在堆栈上来进行操作。堆(heap)是用于为类型实例(对象) 分配空间的内存区域，在堆上创建一个对象，会将对象的地址传给堆栈上的变
4、量(反过来叫变量指向此对象，或者变量引用此对象 )。1.值类型当声明一个值类型的变量(Variable)的时候，变量本身包含了值类型的全部字段，该变量会被分配在线程堆栈(Thread Stack)上。假如我们有这样一个值类型，它代表了直线上的一点：public struct ValPoint public int x;public ValPoint(int x) this.x = x;当我们在程序中写下这样的一条变量的声明语句时：2 / 17 C# 类型基础ValPoint vPoint1;实际产生的效果是声明了 vPoint1 变量，变量本身包含了值类型的所有字段( 即你想要的所有数据)。N
5、OTE：如果观察 MSIL 代码，会发现此时变量还没有被压到栈上，因为.maxstack(最高栈数) 为 0。并且没有看到入栈的指令，这说明只有对变量进行操作，才会进行入栈。因为变量已经包含了值类型的所有字段，所以，此时你已经可以对它进行操作了(对变量进行操作，实际上是一系列的入栈、出栈操作)。vPoint1.x = 10;Console.WriteLine(vPoint.x); / 输出 10NOTE：如果 vPoint1 是一个引用类型(比如 class)，在运行时会抛出 NullReferenceException异常。因为 vPoint 是一个值类型，不存在引用，所以永远也不会抛出Nu
6、llReferenceException。如果你不对 vPoint.x 进行赋值，直接写 Console.WriteLine(vPoint.x)，则会出现编译错误：使用了未赋值的局部变量。产生这个错误是因为.Net 的一个约束：所有的元素使用前都必须初始化。比如这样的语句也会引发这个错误：int i;Console.WriteLine(i);解决这个问题我们可以通过这样一种方式：编译器隐式地会为结构类型创建了无参数构造函数。在这个构造函数中会对结构成员进行初始化，所有的值类型成员被赋予 0 或相当于0 的值(针对 Char 类型) ，所有的引用类型被赋予 null 值。 (因此，Struct
7、类型不可以自行声明无参数的构造函数)。所以，我们可以通过隐式声明的构造函数去创建一个 ValPoint 类型变量：ValPoint vPoint1 = new ValPoint();Console.WriteLine(vPoint.x); / 输出为 0我们将上面代码第一句的表达式由“=”分隔拆成两部分来看：左边 ValPoint vPoint1，在堆栈上创建一个 ValPoint 类型的变量 vPoint，结构的所有成员均未赋值。在进行 new ValPoint()之前，将 vPoint 压到栈上。右边 new ValPoint()，new 操作符不会分配内存，它仅仅调用 ValPoint
8、结构的默认构造函数，根据构造函数去初始化 vPoint 结构的所有字段。注意上面这句，new 操作符不会分配内存，仅仅调用 ValPoint 结构的默认构造函数去初始3 / 17 C# 类型基础化 vPoint 的所有字段。那如果我这样做，又如何解释呢？Console.WriteLine(new ValPoint().x); / 正常，输出为 0在这种情况下，会创建一个临时变量，然后使用结构的默认构造函数对此临时变量进行初始化。我知道我这样很没有说服力，所以我们来看下 MS IL 代码，为了节省篇幅，我只节选了部分：.locals init (0 valuetype Prototype.Val
9、Point CS$0$0000) / 声明临时变量IL_0000: nopIL_0001: ldloca.s CS$0$0000 / 将临时变量压栈IL_0003: initobj Prototype.ValPoint / 初始化此变量而对于 ValPoint vPoint = new ValPoint(); 这种情况，其 MSIL 代码是：.locals init (0 valuetype Prototype.ValPoint vPoint) / 声明 vPointIL_0000: nopIL_0001: ldloca.s vPoint / 将 vPoint 压栈IL_0003: inito
10、bj Prototype.ValPoint / 使用 initobj 初始化此变量那么当我们使用自定义的构造函数时，ValPoint vPoint = new ValPoint(10)，又会怎么样呢？通过下面的代码我们可以看出，实际上会使用 call 指令(instruction) 调用我们自定义的构造函数，并传递 10 到参数列表中。.locals init (0 valuetype Prototype.ValPoint vPoint)IL_0000: nopIL_0001: ldloca.s vPoint / 将 vPoint 压栈IL_0003: ldc.i4.s 10 / 将 10 压
11、栈/ 调用构造函数，传递参数IL_0005: call instance void Prototype.ValPoint:.ctor(int32) 对于上面的 MSIL 代码不清楚不要紧，有的时候知道结果就已经够用了。关于 MSIL 代码，有空了我会为大家翻译一些好的文章。2.引用类型当声明一个引用类型变量的时候，该引用类型的变量会被分配到堆栈上，这个变量将用于保存位于堆上的该引用类型的实例的内存地址，变量本身不包含对象的数据。此时，如果仅仅声明这样一个变量，由于在堆上还没有创建类型的实例，因此，变量值为 null，意思是不指向任何类型实例(堆上的对象 )。对于变量的类型声明，用于限制此变量可
12、以保存的类型实例的地址。如果我们有一个这样的类，它依然代表直线上的一点：public class RefPoint 4 / 17 C# 类型基础public int x;public RefPoint(int x) this.x = x;public RefPoint() 当我们仅仅写下一条声明语句：RefPoint rPoint1;它的效果就向下图一样，仅仅在堆栈上创建一个不包含任何数据，也不指向任何对象(不包含创建再堆上的对象的地址)的变量。而当我们使用 new 操作符时：rPoint1= new RefPoint(1);会发生这样的事：1.在应用程序堆(Heap)上创建一个引用类型 (T
13、ype)的实例(Instance) 或者叫对象(Object)，并为它分配内存地址。2.自动传递该实例的引用给构造函数。(正因为如此，你才可以在构造函数中使用 this 来访问这个实例。)3.调用该类型的构造函数。4.返回该实例的引用(内存地址) ，赋值给 rPoint 变量。3.关于简单类型很多文章和书籍中在讲述这类问题的时候，总是喜欢用一个 int 类型作为值类型 和一个Object 类型 作为引用类型来作说明。本文中将采用自定义的一个 结构 和 类 分别作值类型和引用类型的说明。这是因为简单类型(比如 int)有一些 CLR 实现了的行为，这些行为会让我们对一些操作产生误解。举个例子，如
14、果我们想比较两个 int 类型是否相等，我们会通常这样：int i = 3;int j = 3;if(i=j) Console.WriteLine(“i equals to j“);但是，对于自定义的值类型，比如结构，就不能用 “=”来判断它们是否相等，而需要在5 / 17 C# 类型基础变量上使用 Equals()方法来完成。再举个例子，大家知道 string 是一个引用类型，而我们比较它们是否相等，通常会这样做：string a = “123456“; string b = “123456“; if(a = b) Console.WriteLine(“a Equals to b“);实际上
15、，在后面我们就会看到，当使用“=”对引用类型变量进行比较的时候，比较的是它们是否指向的堆上同一个对象。而上面 a、b 指向的显然是不同的对象，只是对象包含的值相同，所以可见，对于 string 类型，CLR 对它们的比较实际上比较的是值，而不是引用。为了避免上面这些引起的混淆，在对象判等部分将采用自定义的结构和类来分别说明。装箱 和 拆箱这部分内容可深可浅，本文只简要地作一个回顾。简单来说，装箱 就是 将一个值类型转换成等值的引用类型。它的过程分为这样几步：1.在堆上为新生成的对象(该对象包含数据，对象本身没有名称)分配内存。2.将 堆栈上 值类型变量的值拷贝到 堆上的对象 中。3.将堆上创建
16、的对象的地址返回给引用类型变量(从程序员角度看，这个变量的名称就好像堆上对象的名称一样)。当我们运行这样的代码时：int i = 1;Object boxed = i;Console.WriteLine(“Boxed Point: “ + boxed);效果图是这样的：MSIL 代码是这样的：.method private hidebysig static void Main(string args) cil managed.entrypoint/ 代码大小 19 (0x13).maxstack 1 / 最高栈数是 1，装箱操作后 i 会出栈.locals init (0 int32 i, /
17、 声明变量 i(第 1 个变量，索引为 0)1 object boxed) / 声明变量 boxed (第 2 个变量，索引为 1)IL_0000: nopIL_0001: ldc.i4.s 10 /#1 将 10 压栈IL_0003: stloc.0 /#2 10 出栈，将值赋给 i6 / 17 C# 类型基础IL_0004: ldloc.0 /#3 将 i 压栈IL_0005: box mscorlibSystem.Int32 /#4 i 出栈，对 i 装箱( 复制值到堆，返回地址)IL_000a: stloc.1 /#5 将返回值赋给变量 boxedIL_000b: ldloc.1 /
18、将 boxed 压栈/ 调用 WriteLine()方法IL_000c: call void mscorlibSystem.Console:WriteLine(object) IL_0011: nopIL_0012: ret / end of method Program:Main而拆箱则是将一个 已装箱的引用类型 转换为值类型：int i = 1;Object boxed = i;int j;j = (int)boxed; / 显示声明 拆箱后的类型Console.WriteLine(“UnBoxed Point: “ + j);需要注意的是：UnBox 操作需要显示声明拆箱后转换的类型。它
19、分为两步来完成：1.获取已装箱的对象的地址。2.将值从堆上的对象中拷贝到堆栈上的值变量中。对象判等因为我们要提到对象克隆(复制 )，那么，我们应该有办法知道复制前后的两个对象是否相等。所以，在进行下面的章节前，我们有必要先了解如何进行对象判等。NOTE：有机会较深入地研究这部分内容，需要感谢 微软的开源 以及 VS2008 的 FCL 调试功能。关于如何调试 FCL 代码，请参考 Configuring Visual Studio to Debug .NET Framework Source Code。我们先定义用作范例的两个类型，它们代表直线上的一点，唯一区别是一个是引用类型class，一个
20、是值类型 struct：public class RefPoint / 定义一个引用类型public int x;public RefPoint(int x) this.x = x;public struct ValPoint / 定义一个值类型public int x;public ValPoint(int x) this.x = x;7 / 17 C# 类型基础1.引用类型判等我们先进行引用类型对象的判等，我们知道在 System.Object 基类型中，定义了实例方法Equals(object obj)，静态方法 Equals(object objA, object objB)，静态方法
21、 ReferenceEquals(object objA, object objB) 来进行对象的判等。我们先看看这三个方法，注意我在代码中用 #number 标识的地方，后文中我会直接引用：public static bool ReferenceEquals (Object objA, Object objB) return objA = objB; / #1public virtual bool Equals(Object obj)return InternalEquals(this, obj); / #2public static bool Equals(Object objA, Obj
22、ect objB) if (objA=objB) / #3return true; if (objA=null | objB=null) return false; return objA.Equals(objB); / #4我们先看 ReferenceEquals(object objA, object objB)方法，它实际上简单地返回 objA = objB，所以，在后文中，除非必要，我们统一使用 objA = objB(省去了 ReferenceEquals 方法)。另外，为了范例简单，我们不考虑对象为 null 的情况。我们来看第一段代码：/ 复制对象引用bool result;Re
23、fPoint rPoint1 = new RefPoint(1);RefPoint rPoint2 = rPoint1;8 / 17 C# 类型基础result = (rPoint1 = rPoint2); / 返回 true;Console.WriteLine(result);result = rPoint1.Equals(rPoint2); / #2 返回 true;Console.WriteLine(result);在阅读本文中，应该时刻在脑子里构思一个堆栈，一个堆，并思考着每条语句会在这两种结构上产生怎么样的效果。在这段代码中，产生的效果是：在堆上创建了一个新的RefPoint 类型的
24、实例(对象)，并将它的 x 字段初始化为 1；在堆栈上创建变量rPoint1，rPoint1 保存堆上这个对象的地址；将 rPoint1 赋值给 rPoint2 时，此时并没有在堆上创建一个新的对象，而是将之前创建的对象的地址复制到了 rPoint2。此时，rPoint1和 rPoint2 指向了堆上同一个对象。从 ReferenceEquals()这个方法名就可以看出，它判断两个引用变量是不是指向了同一个变量，如果是，那么就返回 true。这种相等叫做 引用相等 (rPoint1 = rPoint2 等效于 ReferenceEquals)。因为它们指向的是同一个对象，所以对 rPoint1
25、 的操作将会影响rPoint2：注意 System.Object 静态的 Equals(Object objA, Object objB)方法，在 #3 处，如果两个变量引用相等，那么将直接返回 true。所以，可以预见我们上面的代码 rPoint1.Equals(rPoint2); 在 #3 就会返回 true。但是我们没有调用静态 Equals()，直接调用了实体方法，最后调用了#2 的 InternalEquals()，返回 true。(InternalEquals()无资料可查，仅通过调试测得 )。我们再看引用类型的第二种情况：/创建新引用类型的对象，其成员的值相等RefPoint r
26、Point1 = new RefPoint(1);RefPoint rPoint2 = new RefPoint(1);result = (rPoint1 = rPoint2);Console.WriteLine(result); / 返回 false;result = rPoint1.Equals(rPoint2);Console.WriteLine(result); / #2 返回 false上面的代码在堆上创建了两个类型实例，并用同样的值初始化它们；然后将它们的地址分别赋值给堆上的变量 rPoint1 和 rPoint2。此时 #2 返回了 false，可以看到，对于引用类型，即使类型的
27、实例(对象)包含的值相等，如果变量指向的是不同的对象，那么也不相等。2.简单值类型判等注意本节的标题：简单值类型判等，这个简单是如何定义的呢？如果值类型的成员仅包含值类型，那么我们暂且管它叫 简单值类型，如果值类型的成员包含引用类型，我们管它叫9 / 17 C# 类型基础复杂值类型。(注意，这只是本文中为了说明我个人作的定义。)应该还记得我们之前提过，值类型都会隐式地继承自 System.ValueType 类型，而ValueType 类型覆盖了基类 System.Object 类型的 Equals()方法，在值类型上调用 Equals()方法，会调用 ValueType 的 Equals()
28、。所以，我们看看这个方法是什么样的，依然用 #number 标识后面会引用的地方。public override bool Equals (Object obj) if (null=obj) return false; RuntimeType thisType = (RuntimeType)this.GetType();RuntimeType thatType = (RuntimeType)obj.GetType();if (thatType!=thisType) / 如果两个对象不是一个类型，直接返回 falsereturn false; Object thisObj = (Object)t
29、his;Object thisResult, thatResult; if (CanCompareBits(this) / #5return FastEqualsCheck(thisObj, obj); / #6/ 利用反射获取值类型所有字段FieldInfo thisFields = thisType.GetFields(BindingFlags.Instance | BindingFlags.Public | BindingFlags.NonPublic); / 遍历字段，进行字段对字段比较for (int i=0; ithisFields.Length; i+) thisResult =
30、 (RtFieldInfo)thisFieldsi).InternalGetValue(thisObj,false);thatResult = (RtFieldInfo)thisFieldsi).InternalGetValue(obj, false);if (thisResult = null) if (thatResult != null)return false; elseif (!thisResult.Equals(thatResult) / #7return false;return true;10 / 17 C# 类型基础我们先来看看第一段代码：/ 复制结构变量ValPoint v
31、Point1 = new ValPoint(1);ValPoint vPoint2 = vPoint1;result = (vPoint1 = vPoint2); /编译错误：不能在 ValPoint 上应用 “=“ 操作符Console.WriteLine(result); result = Object.ReferenceEquals(vPoint1, vPoint2); / 隐式装箱，指向了堆上的不同对象Console.WriteLine(result); / 返回 false我们先在堆栈上创建了一个变量 vPoint1，变量本身已经包含了所有字段和数据。然后在堆栈上复制了 vPoint
32、1 的一份拷贝给了 vPoint2，从常理思维上来讲，我们认为它应该是相等的。接下来我们就试着去比较它们，可以看到，我们不能用“= ”直接去判断，这样会返回一个编译错误。如果我们调用 System.Object 基类的静态方法 ReferenceEquals()，有意思的事情发生了：它返回了 false。为什么呢？我们看下 ReferenceEquals()方法的签名就可以了，它接受的是 Object 类型，也就是引用类型，而当我们传递 vPoint1 和 vPoint2 这两个值类型的时候，会进行一个隐式的装箱，效果相当于下面的语句：Object boxPoint1 = vPoint1;Ob
33、ject boxPoint2 = vPoint2;result = (boxPoint1 = boxPoint2); / 返回 falseConsole.WriteLine(result); 而装箱的过程，我们在前面已经讲述过，上面的操作等于是在堆上创建了两个对象，对象包含的内容相同(地址不同)，然后将对象地址分别返回给堆栈上的 boxPoint1 和boxPoint2，再去比较 boxPoint1 和 boxPoint2 是否指向同一个对象，显然不是，所以返回false。我们继续，添加下面这段代码：result = vPoint1.Equals(vPoint2); / #5 返回 true;
34、 #6 返回 true;Console.WriteLine(result); / 输出 true因为它们均继承自 ValueType 类型，所以此时会调用 ValueType 上的 Equals()方法，在方法体内部，#5 CanCompareBits(this) 返回了 true，CanCompareBits(this)这个方法，按微软的注释，意识是说：如果对象的成员中存在对于堆上的引用，那么返回 false，如果不存在，返回 true。按照 ValPoint 的定义，它仅包含一个 int 类型的字段 x，自然不存在对堆上其他对象的引用，所以返回了 true。从#5 的名字 CanCompareBits，可以看出是判断是否可以进行按位比较，那么返回了 true 以后，#6 自然是进行按位比较了。接下来，我们对 vPoint2 做点改动，看看会发生什么：
