.NET中的值類型與引用類型

• 2019 年 10 月 3 日
• 筆記

.NET中的值類型與引用類型

這是一個常見面試題，值類型(Value Type)和引用類型(Reference Type)有什麼區別？他們性能方面有什麼區別？

TL;DR（先看結論）

引用類型

常用的引用類型程式碼示例：

void Main()  {      // 開始計數器      var sw = Stopwatch.StartNew();      long memory1 = GC.GetAllocatedBytesForCurrentThread();      // 創建C16      Span<B16> data = new B16[40_0000];      foreach (ref B16 item in data)      {          item = new B16();          item.V15.V15.V0 = 1;      }      long sum = 0; // 求和以免程式碼被優化掉      for (var i = 0; i < data.Length; ++i)      {          sum += data[i].V15.V15.V0;      }      // 終止計數器      sw.Stop();      long memory2 = GC.GetAllocatedBytesForCurrentThread();      // 輸出顯示結果      new { Sum = sum, CreateTime = sw.ElapsedMilliseconds, Memory = memory2 - memory1 }.Dump();  }    class A1  {      public byte V0;  }    class A16  {      public A1 V0, V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8, V9, V10, V11, V12, V13, V14, V15;      public A16()      {          V0 = new A1(); V1 = new A1(); V2 = new A1(); V3 = new A1();          V4 = new A1(); V5 = new A1(); V6 = new A1(); V7 = new A1();          V8 = new A1(); V9 = new A1(); V10 = new A1(); V11 = new A1();          V12 = new A1(); V13 = new A1(); V14 = new A1(); V15 = new A1();      }  }    class B16  {      public A16 V0, V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8, V9, V10, V11, V12, V13, V14, V15;      public B16()      {          V0 = new A16(); V1 = new A16(); V2 = new A16(); V3 = new A16();          V4 = new A16(); V5 = new A16(); V6 = new A16(); V7 = new A16();          V8 = new A16(); V9 = new A16(); V10 = new A16(); V11 = new A16();          V12 = new A16(); V13 = new A16(); V14 = new A16(); V15 = new A16();      }  }

這次程式碼中，我們創建了40萬個B16類型，然後對這40萬個B16進行了統計，其中：

• A1是一個位元組（byte）的class；
• A16是包含16個A1的class；
• B16是包含16個A16的class；

可以計算出，B16=16·A16=16×16·A1=16x16x256 bytes，一共分配了40萬個B16，所以一共有40_0000x256=1_0240_0000 bytes，或約100兆位元組。

實際結果輸出

電腦配置（之後的下文的性能測試結果與此完全相同）：

數字涵義：

• 40萬條數據對1求和，結果是40萬，正確；
• 總花費時間一共需要9417毫秒；
• 總記憶體開銷約為3.4GB。

請注意看記憶體開銷，我們預估值是100MB，但實際約為3.4GB，這說明了引用類型需要（較大的）額外記憶體開銷。

一個空對象 要分配多大的堆記憶體？

以一個空白引用類型為例，可以寫出如下程式碼（LINQPad中運行）：

long m1 = GC.GetAllocatedBytesForCurrentThread();  var obj = new object();  long m2 = GC.GetAllocatedBytesForCurrentThread();  (m2 - m1).Dump();  GC.KeepAlive(obj);

注意GC.KeepAlive是有必要的，否則運行在optimize+環境下會將new object()優化掉。

運行結果：24（在32位系統中，運行結果為：12）

空引用類型（64位）為何要24個位元組？

一個引用類型的堆記憶體包含以下幾個部分：

• 同步塊索引（synchronization block index），8個位元組，用於保存大量與CLR相關的元數據，以下基本操作都會用到該記憶體：
  • 執行緒同步（lock）
  • 垃圾回收（GC）
  • 哈希值（HashCode）
  • 其它
• 方法表指針（method table pointer），又叫類型對象指針（TypeHandle），8個位元組，用來指向類的方法表；
• 實例成員，8位元組對齊，沒有任何成員時也需要8個位元組。

由於以上幾點，才導致一個空白的object需要24個位元組。

• 因為沒有同步塊索引，導致：
  • 值類型不能參與執行緒同步（lock）
  • 值類型不需要進行垃圾回收（GC）
  • 值類型的哈希值計算過程與引用類型不同（HashCode）
• 因為沒有方法表指針，導致：
  • 值類型不能繼承

值類型的性能

值類型程式碼示例

void Main()  {      // 開始計數器      var sw = Stopwatch.StartNew();      long memory1 = GC.GetAllocatedBytesForCurrentThread();      // 創建C16      Span<B16> data = new B16[40_0000];      foreach (ref B16 item in data)      {          // item = new B16();          item.V15.V15.V0 = 1;      }      long sum = 0; // 求和以免程式碼被優化掉      for (var i = 0; i < data.Length; ++i)      {          sum += data[i].V15.V15.V0;      }      // 終止計數器      sw.Stop();      long memory2 = GC.GetAllocatedBytesForCurrentThread();      // 輸出顯示結果      new { Sum = sum, CreateTime = sw.ElapsedMilliseconds, Memory = memory2 - memory1 }.Dump();  }    struct A1  {      public byte V0;  }    struct A16  {      public A1 V0, V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8, V9, V10, V11, V12, V13, V14, V15;  }    struct B16  {      public A16 V0, V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8, V9, V10, V11, V12, V13, V14, V15;  }

幾乎完全一樣的程式碼，區別只有：

• 將所有的class（表示引用類型）關鍵字換成了struct（表示值類型）
• 將item = new B16()語句去掉了（因為值類型創建數組會自動調用默認構造函數）

運行結果

運行結果如下：

注意，分配記憶體只有102_400_024位元組，比我們預估的102_400_000只多了24個位元組。這是因為數組也是引用類型，引用類型需要至少24個位元組。

比較

在這個示例中，將引用類型改成值類型需要多出271倍的時間，和33倍的記憶體佔用。

重新審視值類型

值類型這麼好，為什麼不全改用值類型呢？

值類型的優點，恰恰也是值類型的缺點，值類型賦值時是複製值，而不是複製引用，而當值比較大時，複製值非常昂貴。

在遠古時代，甚至是沒有動態記憶體分配的，所以世界上只有值類型。那時為了減少值類型複製，會用變數來保存對象的記憶體位置，可以說是最早的指針了。

在近代的的C里，除了值類型，還加入了指向動態分配的值類型的指針。其中指針基本可以與引用類型進行類比：

• ✔指針和引用類型的引用，都指向真實的對象記憶體位置
• ❌動態分配的記憶體需要手動刪除，引用類型會自動GC回收
• ❌指針指向的記憶體位置不會變，引用類型指向的記憶體位置會隨著GC的記憶體壓縮而產生變化，可用fixed關鍵字臨時禁止記憶體壓縮
• ❌指針指向的記憶體沒有額外消耗，引用類型需要分配至少24位元組的堆記憶體

C++為了解決這個問題，也是卯足了勁。先是加入了值引用運算符 &，而後又發布了一版又一版的「智慧」指針，如auto_ptr/shared_ptr/unique_ptr。但這些「智慧」指針都需要提前了解它的使用場景，如：

• 有對象所有權還是沒有對象所有權？
• 執行緒安全還是不安全？
• 能否用於賦值？

而且庫與庫之前的版本多樣，不統一，還影響開發的心情。

所以引用類型的優勢就出來了，不用關心對象的所有權，不用關心執行緒安全，不用關心賦值問題，而且最重要的，還不用關心值類型複製的性能問題。

C#中的值類型支援

引用類型是如此好，以至於平時完全不需要創建值類型，就能完成任務了。但為什麼值類型仍然還是這麼重要呢？就是因為一旦涉及底層，性能關鍵型的伺服器、遊戲引擎等等，都需要關心記憶體分配，都需要使用值類型。

因為只有C#才能不依賴於C/C++等「本機語言」，就可寫出性能關鍵型應用程式。

C#因為有這些和值類型的特性，導致與其它語言（C/C++）相比時完全不虛：

• 首先，C#可以寫自定義值類型
• C# 7.0 值類型Task（ValueTask）：大量非同步請求，如讀取流時，可以節省堆記憶體分配和GC 點擊查看
• C# 7.0 ref返回值/本地變數引用：避免了大值類型記憶體大量複製的開銷（有點像C++的&關鍵字了） 點擊查看
• C# 7.0 Span<T>和Memory<T>，簡化了ref引用的程式碼，甚至讓foreach循環都可以操作修改值類型了 點擊查看
• C# 7.2 加入in修飾符和其它修飾符，相當於C++中的const TypeName& 點擊查看
• C# 8.0 - Preview 5 可Dispose的ref struct，值類型也能使用Dispose模式了 點擊查看

ASP.NET Core曾使用Libuv（基於C語言）作為內部傳輸層，但從ASP.NET Core 2.1之後，換成了用.NET重寫。

最後的話

開發經常拿C#與同樣開發Web應用的其它語言作比較，但由於缺乏對值類型的支援，這些語言沒辦法與C#相比。

其中Java還暫不支援自定義值類型。

推薦書籍：《C#從現象到本質》（郝亦非 著）

作者：周傑
出處：https://www.cnblogs.com/sdflysha
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