Learning hard C#学习笔记——读书笔记 07

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1.值类型和引用类型

1.1 什么是值类型和引用类型

• 值类型：包括简单类型，枚举类型，结构体类型等，值类型通常被分配在线程的堆栈上，变量保存的内容就是实例数据本身
• 引用类型：引用类型实例则被分配在托管堆上，变量保存的是实例数据的内存地址，引用类型主要包括类类型、接口类型、委托类型、字符串类型等

1.2 值类型和引用类型的区别

值类型和引用类型最主要的区别是——不同的内存分布

我们之前介绍过，值类型分配在线程的堆栈上，引用类型分配在托管堆上，不同的分配位置导致了不同的管理机制，值类型由操作系统负责管理，引用类型则由垃圾回收机制（GC）负责管理

管理的主要是内存的分配与释放

class Program {
    static void Main(string[] args) {
        // valuetype 是值类型
        int valuetype = 3;
        // reftype 是引用类型
        string reftype = "abc";
    }
}

在程序中，每个变量都有其堆栈地址，并且不同的变量，堆栈地址不同，valuetype 和 reftype 在堆栈地址占用了不同的位置，从下图可以看出，无论是值类型还是引用类型，变量本身都是存储在堆栈中，变量只是实例数据的一个引用

值类型的变量和实际数据通常会存储在线程堆栈中，而引用类型则是，变量存储在线程堆栈中，而实际数据存储在托管堆中，此时变量存储的是实际数据的地址，这个地址就像是我们实际生活中的地址，像快递员，想要送包裹给你，也是需要你的地址

注意：我们对值类型的说法是通常在线程堆栈中，而也有不在堆栈的情况

1.引用类型嵌套值类型

如果类的字段类型是值类型，它作为引用类型的一部分，会被分配到托管堆中，但是局部变量的值类型，则仍会被分配到线程栈中

public class NestedValueTypeInRef {
    // 这个和引用类型一起分配到托管堆中
    private int valueType = 3;

    public method() {
        // 方法的局部变量分配到线程栈中
        char c = 'c';
    }
}

class Program {
    static void Main(string[] agrs) {
        NestedRefTypeInValue reftype = new NestedRefTypeInValue();
    }
}

2.值类型嵌套定义引用类型

值类型嵌套定义引用类型，堆栈上将保存该引用类型的引用，而实际的数据则将保存在托管堆上

public class TestClass 
{
    public int x;
    public int y;
}

public struct NestedRefTypeValue 
{
    // 注意结构体的字段不能初始化
    private TestClass classinValueType;
  
    // 注意结构体的构造函数不能无参
    public NestedRefTypeValue(TestClass t)
    {
        classinValueType.x = 3;
        classinValueType.y = 5;
        classinValueType = t;
    }
}

class Program {
    static void Main(string[] args) {
        NestedRefTypeValue valueType = new NestedRefTypeInValue(new TestClass())
    }
}

总结：

1. 值类型继承自ValueType，ValueType又继承自System.Object；而引用类型则直接继承自System.Object
2. 值类型的内存不受GC控制，作用域结束，值类型会被系统自动释放，从而减少了托管堆的压力，而引用类型受到GC控制，所以与引用类型相比，值类型性能方面更占优势
3. 值类型是密封的（sealed），你不能把值类型作为其它任何类型的基类，而引用类型一般具有继承性
4. 值类型不能为null值，它的默认初始值为数值0，而由于类型在默认情况下为null值
5. 由于值类型的变量包含其实际数据，因此在默认情况下，值类型之间的参数传递不会影响变量本身，而引用类型保存的数据的地址，它们作为参数传递，参数会发生变化，从而影响引用类型变量的值

1.3 两大类型转换——装箱与拆箱

由于C#存在这两种类型，自然需要对它们进行转换，类型转换指的是将数据的类型转化为另外一种类型

类型转换的方式：

1. 隐式类型转换：由低级类型向高级类型转换的过程。例如：派生类可以隐式的转换为它的父类，装箱的过程就属于指针隐式类型转换
2. 显式类型转换：强制类型转换。这种转换可能会导致精度丢失，或出现运行异常

强制类型转换的格式

type就是你想要转换的类型

(type)(变量、或函数)

3. 通过 is 和 as 运算符可以进行安全的类型转换

if (myObj is MyClass)
{
    // myObj 是 MyClass 类型的实例
}

MyClass myObj = someObj as MyClass;
if (myObj != null)
{
    // someObj 成功转换为 MyClass 类型
}

4. 通过 .NET 类库中的Convert类来完成类型转换

string str = "123";
int num = Convert.ToInt32(str);

string str = "2023-07-19";
DateTime date = Convert.ToDateTime(str);

string str = "Red";
Color color = (Color)Enum.Parse(typeof(Color), str);

1.3.1 装箱和拆箱的原理

class Program {
    static void Main(string[] args) {
        int i = 3;
        // 装箱操作
        object o = i;
        // 拆箱操作
        int y = (int) o;
    }
}

装箱（box）可以具体为三个步骤

1. 内存分配：在托管堆中分配好内存空间存放复制的实际数据
2. 完成数据的复制：将值类型实例的实际数据复制到新分配的内存中
3. 地址返回：将托管对象的地址返回给由于类型变量

拆箱（unbox）操作的步骤：

1. 检查实例：首先检查要进行拆箱操作的引用类型变量是否为null，如果为null则抛出异常，如果不为null，则继续检查变量是否和拆箱之后的类型是否是同一个类型
2. 地址返回：返回已装箱变量的实际数据部分的地址
3. 数据复制：将托管堆中的实际数据复制到栈中

注意：

1. 装箱和拆箱堆性能有比较大的影响，如果代码中有大量的装箱和拆箱会消耗很多运行时间
2. 装箱和拆箱必然会产生多余的对象，进一步加重了GC的压力

应该避免多次的装箱和拆箱，最好使用泛型来编程

2. 参数传递的问题

C# 中的参数传递，我们可以分为四种情况

1. 值类型参数按值传递
2. 引用类型的参数按值传递
3. 值类型参数按引用传递
4. 引用类型的参数按引用传递

2.1 值类型的参数按值传递

参数可以分为实参和形参两种，形参指的是被调用方法中的参数，而实参指的是我们传递过去的参数

class Program {
    static void Main(string[] args) {
        int addNum = 1;
        // addNum 就是实参
        Add(addNum);
    }
    // addnum就是形参，即被调用方法中的参数
    private static void Add(int addnum) {
        addnum += 1;
        Console.WriteLine(addnum);
    }
}

值类型按值传递，其实传递的是该值类型实例的一个副本，也就是说，方法对参数的操作，并不会影响实际的参数

class Program {
    static void Main(string[] args) {
        int addNum = 1;
        // addNum 就是实参
        Add(addNum);

        Console.WriteLine("调用方法之后的实际参数的值:"+addNum);
        Console.Read();
    }
    // addnum就是形参，即被调用方法中的参数
    private static void Add(int addnum) {
        addnum += 1;
        Console.WriteLine("方法中形参的值:"+addnum);
    }
}

我们可以看到图中，并没有一根线将 addNum 与 addnum 进行绑定，addnum使用只是 addNum 的副本

2.2 引用类型按值传递

当传递的是引用类型的时，传递和操作的目标时指向对象的地址，而传递的实际内容对地址的复制，由于地址指向的是实际参数的值，当方法对地址进行操作的时候，实际上操作的地址所指向的实际值，当调用方法之后，实参也会被修改

public class RefClass
{
    public int addNum;
}

class Program {
    static void Main(string[] args) {
        Console.WriteLine("引用类型按值传递的情况");
        RefClass refClass = new RefClass();
  
        refClass.addNum = 1;
        AddRef(refClass);

        Console.WriteLine("调用方法之后，实际参数的值:"+refClass.addNum);
        Console.Read();
    }

    private static void AddRef(RefClass addnumRef) {
        addNumRef.addNum += 1;
        Console.WriteLine("方法中的addNum值:"+addNumRef.addNum);
    }

}

2.3 string引用类型参数按值传递的特殊情况

虽然string类型也是引用类型，但是它按值传递，传递的参数斌不会因为方法中的形参改变而修改

这个特殊情况是因为string具有不变性，一旦string类型被赋值之后，则它就是不可改变的，即不能通过代码修改它

2.4 值类型和引用类型的按引用传递

不管是值类型还是引用类型，都可以使用 ref 或 out 关键字来实现参数按引用传递，并且按引用进行传递的时候，方法的定义和调用都必须是显式的使用 ref 或 out 关键字，不可省略

按引用传递时，不管是值类型，还是引用类型，本质都一样是告诉编译器，方法传递的是参数地址，而非参数本身

class Program 
{
    static void Main(string[] args) 
    {
        // num 作为实际参数
        int num = 1;
        // refStr 是引用类型实参
        string refStr = "Old string";
  
        // 值类型按引用传递
        ChangeByValue(ref num);
        Console.WriteLine(num);
  
        // 引用类型按引用传递
        ChangeByRef(ref refStr);
        Console.WriteLine(refStr);

        Console.Read();
  
    }

    private static void ChangeByValue(ref int numValue) 
    {
        numValue = 10;
        Console.WriteLine(numValue);
    }

    private static void ChangeByRef(ref string numRef) 
    {
        numRef = "new string";
        Console.WriteLine(numRef);
    }
}

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