linq 查詢的結果會開闢新的內存嗎？

2020 年 12 月 1 日
筆記
.NET, c#, C#遺忘系列, netcore

一：背景

1. 講故事

昨天群里有位朋友問：linq 查詢的結果會開闢新的內存嗎？如果開了，那是對原序列集裏面元素的深拷貝還是僅僅拷貝其引用？

其實這個問題我覺得問的挺好，很多初學 C# 的朋友或多或少都有這樣的疑問，甚至有 3，4 年工作經驗的朋友可能都不是很清楚，這就導致在寫代碼的時候總是會畏手畏腳，還會莫名的揪心這樣玩的話內存會不會暴漲暴跌，這一篇我就用 windbg 來幫助朋友徹底分析一下。

二：尋找答案

1. 一個小案例

這位老弟提到了是深拷貝還是淺拷貝，本意就是想問： linq 一個引用類型集合到底會怎樣？ 這裡我先模擬一個集合，代碼如下：


    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            var personList = new List<Person>() {
                                              new Person() { Name="jack", Age=20 },
                                              new Person() { Name="elen",Age=25,  },
                                              new Person() {  Name="john", Age=22 }
                                            };

            var query = personList.Where(m => m.Age > 20).ToList();

            Console.WriteLine($"query.count={query.Count}");

            Console.ReadLine();
        }
    }

    class Person
    {
        public string Name { get; set; }

        public int Age { get; set; }
    }

2. 真的是深copy嗎？

如果用 windbg 的話，就非常簡單了，假設是深copy 的話，那麼 query 之後，託管堆上就會有 5個 Person，那是不是這樣呢？用 !dumpheap -stat -type Person 到託管堆驗證一下即可。


0:000> !dumpheap -stat -type Person
Statistics:
              MT    Count    TotalSize Class Name
00007ff7f27c3528        1           64 System.Func`2[[ConsoleApp5.Person, ConsoleApp5],[System.Boolean, System.Private.CoreLib]]
00007ff7f27c2b60        2           64 System.Collections.Generic.List`1[[ConsoleApp5.Person, ConsoleApp5]]
00007ff7f27c9878        1           72 System.Linq.Enumerable+WhereListIterator`1[[ConsoleApp5.Person, ConsoleApp5]]
00007ff7f27c7a10        3          136 ConsoleApp5.Person[]
00007ff7f27c2ad0        3           96 ConsoleApp5.Person

從最後一行輸出可以看到: ConsoleApp5.Person 的 Count=3，也就表明沒有所謂的深copy，如果你還不信的話，可以在 query 中修改某一個Person的Age，看看原始的 personList 集合是不是同步更新,修改代碼如下：


        static void Main(string[] args)
        {
            var personList = new List<Person>() {
                                              new Person() { Name="jack", Age=20 },
                                              new Person() { Name="elen",Age=25,  },
                                              new Person() {  Name="john", Age=22 }
                                            };

            var query = personList.Where(m => m.Age > 20).ToList();

            //故意修改 Age=25 為  Age=100； 
            query[0].Age = 100;

            Console.WriteLine($"query[0].Age={query[0].Age}, personList[2].Age={personList[1].Age}");

            Console.ReadLine();
        }

從截圖來看更加驗證了並沒有所謂的深copy 一說。

3. 真的是 copy 引用嗎？

要驗證是不是 copy 引用，最粗暴的方法就是看看 query 這個數組在託管堆上的存儲行態就明白了，同樣你也可以藉助 windbg 去驗證一下，先到線程棧去找 query 變量，然後用 da 命令對 query 進行打印。


0:000> !clrstack -l
OS Thread Id: 0x809c (0)
        Child SP               IP Call Site
000000E143D7E9B0 00007ff7f26f18be ConsoleApp5.Program.Main(System.String[]) [E:\net5\ConsoleApp5\ConsoleApp5\Program.cs @ 20]
    LOCALS:
        0x000000E143D7EA38 = 0x00000218266aab70
        0x000000E143D7EA30 = 0x00000218266aad98

0:000> !do 0x00000218266aad98
Name:        System.Collections.Generic.List`1[[ConsoleApp5.Person, ConsoleApp5]]
MethodTable: 00007ff7f27b2b60
EEClass:     00007ff7f27abad0
Size:        32(0x20) bytes
File:        C:\Program Files\dotnet\shared\Microsoft.NETCore.App\3.1.9\System.Private.CoreLib.dll
Fields:
              MT    Field   Offset                 Type VT     Attr            Value Name
0000000000000000  4001c35        8              SZARRAY  0 instance 00000218266aadb8 _items
00007ff7f26bb1f0  4001c36       10         System.Int32  1 instance                2 _size
00007ff7f26bb1f0  4001c37       14         System.Int32  1 instance                2 _version
0000000000000000  4001c38        8              SZARRAY  0   static dynamic statics NYI                 s_emptyArray

0:000> !da 00000218266aadb8
Name:        ConsoleApp5.Person[]
MethodTable: 00007ff7f27b7a10
EEClass:     00007ff7f26b6580
Size:        56(0x38) bytes
Array:       Rank 1, Number of elements 4, Type CLASS
Element Methodtable: 00007ff7f27b2ad0
[0] 00000218266aac00
[1] 00000218266aac20
[2] null
[3] null

從最後四行代碼可以看出數組有 4 個格子，前2個格子放的是內存地址，後兩個都是 null，可能有些朋友會問，query 不是 2 條記錄嗎？怎麼會有 4 個格子呢？這是因為 query 是 List 結構，而 List 底層用的是數組，默認以 4 個格子起步，不信的話翻一下 List 原代碼即可。


    public class List<T>
    {
        private void EnsureCapacity(int min)
        {
            if (_items.Length < min)
            {
                int num = (_items.Length == 0) ? 4 : (_items.Length * 2);   //默認 4 個大小
                if ((uint)num > 2146435071u)
                {
                    num = 2146435071;
                }
                if (num < min)
                {
                    num = min;
                }
                Capacity = num;
            }
        }
    }

如果你想進一步查看數組中前兩個元素 00000218266aac00, 00000218266aac20 指向的是什麼，可以用 !do 打印一下即可。


0:000> !do 00000218266aac00
Name:        ConsoleApp5.Person
MethodTable: 00007ff7f27b2ad0
EEClass:     00007ff7f27c2a00
Size:        32(0x20) bytes
File:        E:\net5\ConsoleApp5\ConsoleApp5\bin\Debug\netcoreapp3.1\ConsoleApp5.dll
Fields:
              MT    Field   Offset                 Type VT     Attr            Value Name
00007ff7f2771e18  4000001        8        System.String  0 instance 00000218266aab30 <Name>k__BackingField
00007ff7f26bb1f0  4000002       10         System.Int32  1 instance               25 <Age>k__BackingField
0:000> !do 00000218266aac20
Name:        ConsoleApp5.Person
MethodTable: 00007ff7f27b2ad0
EEClass:     00007ff7f27c2a00
Size:        32(0x20) bytes
File:        E:\net5\ConsoleApp5\ConsoleApp5\bin\Debug\netcoreapp3.1\ConsoleApp5.dll
Fields:
              MT    Field   Offset                 Type VT     Attr            Value Name
00007ff7f2771e18  4000001        8        System.String  0 instance 00000218266aab50 <Name>k__BackingField
00007ff7f26bb1f0  4000002       10         System.Int32  1 instance               22 <Age>k__BackingField

到這裡為止，我覺得回答這位朋友的疑問應該是沒有問題了，不過這裡既然說到了集合中的引用類型，不得不說一下集合中的值類型又會是怎麼樣的？

三：集合中的值類型是什麼樣的copy方式

1. 使用 windbg 驗證

有了上面的基礎，驗證這個問題的答案就簡單了，先上測試代碼


        static void Main(string[] args)
        {
            var list = new List<int>() { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,8,9,10 };

            var query = list.Where(m => m > 5).ToList();

            Console.ReadLine();
        }

然後直接把整個數組內容打印出來


// list
0:000> !DumpArray /d 0000019687c8aba8
Name:        System.Int32[]
MethodTable: 00007ff7f279f090
EEClass:     00007ff7f279f010
Size:        88(0x58) bytes
Array:       Rank 1, Number of elements 16, Type Int32
Element Methodtable: 00007ff7f26cb1f0
[0] 0000019687c8abb8
[1] 0000019687c8abbc
[2] 0000019687c8abc0
[3] 0000019687c8abc4
[4] 0000019687c8abc8
[5] 0000019687c8abcc
[6] 0000019687c8abd0
[7] 0000019687c8abd4
[8] 0000019687c8abd8
[9] 0000019687c8abdc
[10] 0000019687c8abe0
[11] 0000019687c8abe4
[12] 0000019687c8abe8
[13] 0000019687c8abec
[14] 0000019687c8abf0
[15] 0000019687c8abf4

// query
0:000> !DumpArray /d 0000019687c8ae68
Name:        System.Int32[]
MethodTable: 00007ff7f279f090
EEClass:     00007ff7f279f010
Size:        56(0x38) bytes
Array:       Rank 1, Number of elements 8, Type Int32
Element Methodtable: 00007ff7f26cb1f0
[0] 0000019687c8ae78
[1] 0000019687c8ae7c
[2] 0000019687c8ae80
[3] 0000019687c8ae84
[4] 0000019687c8ae88
[5] 0000019687c8ae8c
[6] 0000019687c8ae90
[7] 0000019687c8ae94

仔細對比 list 和 query 的數組呈現，發現有兩點好玩的信息：

值類型和引用類型一樣，數組中都是存放地址的。
值類型數組中的所有格子都被填滿，不像引用類型數組中還有 null 的情況。

接下來的問題是，數組中每個元素的地址到底指向了誰，可以挑出每個數組的 0 號元素地址，用 dp 命令看一看：


//list
0:000> dp 0000019687c8abb8
00000196`87c8abb8  00000002`00000001 00000004`00000003
00000196`87c8abc8  00000006`00000005 00000008`00000007
00000196`87c8abd8  0000000a`00000009 00000000`00000000

//query
0:000> dp 0000019687c8ae78
00000196`87c8ae78  00000007`00000006 00000009`00000008
00000196`87c8ae88  00000000`0000000a 00000000`00000000

看到沒有，原來地址上面存放的都是數字值，深copy無疑哈。

四：總結

以上所有的分析可以得出：引用類型數組是引用copy，值類型數組是深copy，有時候背誦得來的東西總是容易忘記，只有實操驗證才能真正的刻骨銘心！🤭🤭🤭

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