.NET六大劍客：棧、堆、值類型、引用類型、裝箱和拆箱

時間 2019-11-11

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.NET六大劍客：棧、堆、值類型、引用類型、裝箱和拆箱程序員

一.「堆」，「棧」專區數組

這兩個字我相信你們太熟悉了，甚至於米飯是什麼？不知道。。。「堆」，「棧」是什麼？哦，這個知道。。。數據結構

以前我也寫過一篇堆棧的文章，不過寫的不深入，剖析的也不全面，因此今天也參考了一些大牛的資料。函數

1、預備知識—程序的內存分配
一個由C/C++編譯的程序佔用的內存分爲如下幾個部分
一、棧區（stack）—   由編譯器自動分配釋放   ，存放函數的參數值，局部變量的值等。其
操做方式相似於數據結構中的棧。棧是一個內存數組，是一個LIFO（last-in first-out，後進先出）的數據結構。
二、堆區（heap）   —   通常由程序員分配釋放，   若程序員不釋放，程序結束時可能由OS回
收   。注意它與數據結構中的堆是兩回事。堆是一塊內存區域，在堆裏能夠分配大塊的內存用於存儲某類型的數據。性能

與棧不一樣，堆裏的內存能夠任意順序存入和移除。優化

雖然程序能夠在堆裏保存數據，但並不能顯示地刪除它們。CLR的自動GC（Garbage Collector，垃圾收集器）再判斷出程序的ui

三、全局區（靜態區）（static）—，全局變量和靜態變量的存儲是放在一塊的，初始化的
全局變量和靜態變量在一塊區域，   未初始化的全局變量和未初始化的靜態變量在相鄰的另
一塊區域。   -   程序結束後由系統釋放。
四、文字常量區   —常量字符串就是放在這裏的。   程序結束後由系統釋放
五、程序代碼區—存放函數體的二進制代碼。編碼

2、例子程序
這是一個前輩寫的，很是詳細
//main.cpp
int   a   =   0;   全局初始化區
char   *p1;   全局未初始化區
main()
{
int   b;   棧
char   s[]   =   "abc";   棧
char   *p2;   棧
char   *p3   =   "123456";   123456/0在常量區，p3在棧上。
static   int   c   =0；   全局（靜態）初始化區
p1   =   (char   *)malloc(10);
p2   =   (char   *)malloc(20);
分配得來得10和20字節的區域就在堆區。
strcpy(p1,   "123456");   123456/0放在常量區，編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"
優化成一個地方。
}    spa

3、堆和棧的理論知識
3.1申請方式
stack:
由系統自動分配。   例如，聲明在函數中一個局部變量   int   b;   系統自動在棧中爲b開闢空
間
heap:
須要程序員本身申請，並指明大小，在c中malloc函數
如p1   =   (char   *)malloc(10);
在C++中用new運算符
如p2   =   new   char[10];
可是注意p一、p2自己是在棧中的。


3.2
申請後系統的響應
棧：只要棧的剩餘空間大於所申請空間，系統將爲程序提供內存，不然將報異常提示棧溢
出。
堆：首先應該知道操做系統有一個記錄空閒內存地址的鏈表，當系統收到程序的申請時，
會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點，而後將該結點從空閒結點鏈表
中刪除，並將該結點的空間分配給程序，另外，對於大多數系統，會在這塊內存空間中的
首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的delete語句才能正確的釋放本內存空間。
另外，因爲找到的堆結點的大小不必定正好等於申請的大小，系統會自動的將多餘的那部
分從新放入空閒鏈表中。

3.3申請大小的限制
棧：在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構，是一塊連續的內存的區域。這句話的意
思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的，在WINDOWS下，棧的大小是2M（也有
的說是1M，總之是一個編譯時就肯定的常數），若是申請的空間超過棧的剩餘空間時，將
提示overflow。所以，能從棧得到的空間較小。
堆：堆是向高地址擴展的數據結構，是不連續的內存區域。這是因爲系統是用鏈表來存儲
的空閒內存地址的，天然是不連續的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小
受限於計算機系統中有效的虛擬內存。因而可知，堆得到的空間比較靈活，也比較大。



3.4申請效率的比較：
棧由系統自動分配，速度較快。但程序員是沒法控制的。
堆是由new分配的內存，通常速度比較慢，並且容易產生內存碎片,不過用起來最方便.
另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配內存，他不是在堆，也不是在棧是
直接在進程的地址空間中保留一塊內存，雖然用起來最不方便。可是速度快，也最靈活。


3.5堆和棧中的存儲內容
棧：   在函數調用時，第一個進棧的是主函數中後的下一條指令（函數調用語句的下一條可
執行語句）的地址，而後是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧
的，而後是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。
當本次函數調用結束後，局部變量先出棧，而後是參數，最後棧頂指針指向最開始存的地
址，也就是主函數中的下一條指令，程序由該點繼續運行。
堆：通常是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容由程序員安排。

3.6存取效率的比較

char   s1[]   =   "aaaaaaaaaaaaaaa";
char   *s2   =   "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在運行時刻賦值的；
而bbbbbbbbbbb是在編譯時就肯定的；
可是，在之後的存取中，在棧上的數組比指針所指向的字符串(例如堆)快。
好比：
#include
void   main()
{
char   a   =   1;
char   c[]   =   "1234567890";
char   *p   ="1234567890";
a   =   c[1];
a   =   p[1];
return;
}
對應的彙編代碼
10:   a   =   c[1];
00401067   8A   4D   F1   mov   cl,byte   ptr   [ebp-0Fh]
0040106A   88   4D   FC   mov   byte   ptr   [ebp-4],cl
11:   a   =   p[1];
0040106D   8B   55   EC   mov   edx,dword   ptr   [ebp-14h]
00401070   8A   42   01   mov   al,byte   ptr   [edx+1]
00401073   88   45   FC   mov   byte   ptr   [ebp-4],al
第一種在讀取時直接就把字符串中的元素讀到寄存器cl中，而第二種則要先把指針值讀到
edx中，再根據edx讀取字符，顯然慢了。操作系統

四.爲了理解棧和堆，讓咱們經過如下的代碼來了解背後到底發生了什麼。

 1 public void Method1()
 2 {
 3     
 4 // Line 1
 5     int i=4;
 6  
 7     
 8 // Line 2
 9     int y=2;
10  
11     
12 //Line 3
13     class1 cls1 = new class1();
14 }

代碼只有三行，如今咱們能夠一行一行地來了解到底內部是怎麼來執行的。

Line 1：當這一行被執行後，編譯器會在棧上分配一小塊內存。棧會在負責跟蹤你的應用程序中是否有運行內存須要

Line 2：如今將會執行第二步。正如棧的名字同樣，它會將此處的一小塊內存分配疊加在剛剛第一步的內存分配的頂部。你能夠認爲棧就是一個一個疊加起來的房間或盒子。在棧中，數據的分配和解除都會經過LIFO (Last In First Out)即先進後出的邏輯規則進行。換句話說，也就是最早進入棧中的數據項有可能最後纔會出棧。
Line 3：在第三行中，咱們建立了一個對象。當這一行被執行後，.NET會在棧中建立一個指針，而實際的對象將會存儲到一個叫作「堆」的內存區域中。「堆」不會監測運行內存，它只是可以被隨時訪問到的一堆對象而已。不一樣於棧，堆用於動態內存的分配。
這裏須要注意的另外一個重要的點是對象的引用指針是分配在棧上的。例如：聲明語句 Class1 cls1; 其實並無爲Class1的實例分配內存，它只是在棧上爲變量cls1建立了一個引用指針（而且將其默認職位null）。只有當其遇到new關鍵字時，它纔會在堆上爲對象分配內存。
離開這個Method1方法時（the fun）：如今執行控制語句開始離開方法體，這時全部在棧上爲變量所分配的內存空間都會被清除。換句話說，在上面的示例中全部與int類型相關的變量將會按照「LIFO」後進先出的方式從棧中一個一個地出棧。
須要注意的是：這時它並不會釋放堆中的內存塊，堆中的內存塊將會由垃圾回收器稍候進行清理。

如今咱們許多的開發者朋友必定很好奇爲何會有兩種不一樣類型的存儲？咱們爲何不能將全部的內存塊分配只到一種類型的存儲上？

若是你觀察足夠仔細，基元數據類型並不複雜，他們僅僅保存像 ‘int i = 0’這樣的值。對象數據類型就複雜了，他們引用其餘對象或其餘基元數據類型。換句話說，他們保存其餘多個值的引用而且這些值必須一一地存儲在內存中。對象類型須要的是動態內存而基元類型須要靜態內存。若是需求是動態內存的話，那麼它將會在堆上爲其分配內存，相反，則會在棧上爲其分配。棧的存取速度比堆快。

最後給你們一個堆和棧的形象比喻：

使用棧就象咱們去飯館裏吃飯，只管點菜（發出申請）、付錢、和吃（使用），吃飽了就
走，沒必要理會切菜、洗菜等準備工做和洗碗、刷鍋等掃尾工做，他的好處是快捷，可是自
由度小。
使用堆就象是本身動手作喜歡吃的菜餚，比較麻煩，可是比較符合本身的口味，並且自由
度大。

二.值類型和引用類型

CLR支持兩種類型，引用類型和值類型。這兩種類型的不一樣之處是，他們在.NET類層次結構中的位置不一樣，那麼.NET爲其分配的內存的方式也是不一樣的。

咳咳！直白點兒說：值類型就是現金，要用直接用；引用類型是存摺，要用還得先去銀行取現。

聲明一個值類型變量，編譯器會在棧上分配一個空間，這個空間對應着該值類型變量，空間裏存儲的就是該變量的值。引用類型的實例分配在堆上，新建一個引用類型實例，獲得的變量值對應的是該實例的內存分配地址，這就像您的銀行帳號同樣。

C#的全部值類型均隱式派生自System.ValueType：

結構體：struct（直接派生於System.ValueType）；
- 數值類型：
  - 整型：sbyte（System.SByte的別名），short（System.Int16），int（System.Int32），long （System.Int64），byte（System.Byte），ushort（System.UInt16），uint （System.UInt32），ulong（System.UInt64），char（System.Char）；
  - 浮點型：float（System.Single），double（System.Double）；
  - 用於財務計算的高精度decimal型：decimal（System.Decimal）。
- bool型：bool（System.Boolean的別名）；
- 用戶定義的結構體（派生於System.ValueType）。
枚舉：enum（派生於System.Enum）；
可空類型（派生於System.Nullable<T>泛型結構體，T?其實是System.Nullable<T>的別名）。

值類型（Value Type），值類型實例一般分配在線程的堆棧（stack）上，而且不包含任何指向實例數據的指針，由於變量自己就包含了其實例數據

C#有如下一些引用類型：

數組（派生於System.Array）
用戶用定義的如下類型：
- 類：class（派生於System.Object）；
- 接口：interface（接口不是一個「東西」，因此不存在派生於何處的問題。Anders在《C# Programming Language》中說，接口只是表示一種約定[contract]）；
- 委託：delegate（派生於System.Delegate）。
object（System.Object的別名）；
字符串：string（System.String的別名）。

能夠看出：

引用類型與值類型相同的是，結構體也能夠實現接口；
引用類型能夠派生出新的類型，而值類型不能；
引用類型能夠包含null值，值類型不能（可空類型功能容許將 null 賦給值類型）；
引用類型變量的賦值只複製對對象的引用，而不復制對象自己。而將一個值類型變量賦給另外一個值類型變量時，將複製包含的值


再往深剖析就剖內存了，鄙人不懂因此就不寫了！

三.裝箱和拆箱

裝箱（box)：把值類型對象轉爲引用類型的對象；
拆箱(unbox)：把引用類型對象轉爲值類型的對象。


C#裝箱和拆箱原理：

裝箱：

int age = 24;

object refAge= age;

能夠看的出，第一條語句建立一個變量age，並將值放在託管棧中；

第二條語句將age的值賦給引用類型。它將值24放在託管堆中。

這個值類型包裝爲引用類型的過程，稱爲裝箱。

拆箱：

相反，將引用類型轉換爲值類型的過程稱爲拆箱。拆箱將對對象強制轉換爲原來的類型。對前面的對象進行拆箱。

int newAge = (int) refAge;

string newAge =(String) refAge;

拆箱的值必須和它要轉換的目標的變量有相同的類型。

下面是咱們常寫的代碼，那麼在這個過程當中，裝箱和拆箱究竟是怎麼轉換的呢?

                int n = 2;
                object obj = (object)n;//裝箱，把數值類型int轉換爲引用類型object對象的。
                int m = (int)obj;//拆箱，把引用類型的object轉換爲int類型。

咱們能夠看看C#代碼被編譯爲中間語言IL，就很清楚裝箱和拆箱的過程：

實際編碼過程當中到底哪些是裝箱和拆箱呢？

一、引用類型之間不屬於裝箱和拆箱，裝箱、拆箱必須是：值類型→引用類型或引用類型→值類型。

Person p=new Student();//這個叫隱式類型轉換，不叫裝箱。

Student stu=(Student)p;//這個叫顯示類型轉換，不叫拆箱。

二、方法重載時，若是具備該類型的重載，那麼就不叫拆箱或裝箱。

int n=10; Console.WriteLine(n);//沒有發生裝箱，由於方法重載。

三、接口與值類型之間的裝箱與拆箱。

            int n = 2;
            IComparable c = n;
            int m = (int)c;
            Console.WriteLine(m.ToString());

要寫一個高效的高性能的軟件，要注意裝箱和拆箱對應用程序形成的影響。我的建議少用！

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