.NET六大劍客：棧、堆、值類型、引用類型、裝箱和拆箱

一.“堆”，“棧”專區

這兩個字我相信大家太熟悉了，甚至于米飯是什么？不知道。。。“堆”，“棧”是什么？哦，這個知道。。。

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

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一、預備知識—程序的內存分配??
? 一個由C/C++編譯的程序占用的內存分為以下幾個部分??
? 1、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??
? 操作方式類似于數據結構中的棧。棧是一個內存數組，是一個LIFO（last-in? first-out，后進先出）的數據結構。??
? 2、堆區（heap）?? —?? 一般由程序員分配釋放，?? 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，在堆里可以分配大塊的內存用于存儲某類型的數據。

與棧不同，堆里的內存可以任意順序存入和移除。

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雖然程序可以在堆里保存數據，但并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

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? 3、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。?? -?? 程序結束后由系統釋放。??
? 4、文字常量區?? —常量字符串就是放在這里的。?? 程序結束后由系統釋放??
? 5、程序代碼區—存放函數體的二進制代碼。?

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二、例子程序????
? 這是一個前輩寫的，非常詳細????
? //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。????
? }????

三、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;?? 系統自動在棧中為b開辟空??
? 間????
? heap:????
? 需要程序員自己申請，并指明大小，在c中malloc函數????
? 如p1?? =?? (char?? *)malloc(10);????
? 在C++中用new運算符????
? 如p2?? =?? new?? char[10];????
? 但是注意p1、p2本身是在棧中的。????
???
???
? 3.2????
? 申請后系統的響應????
? 棧：只要棧的剩余空間大于所申請空間，系統將為程序提供內存，否則將報異常提示棧溢??
? 出。????
? 堆：首先應該知道操作系統有一個記錄空閑內存地址的鏈表，當系統收到程序的申請時，??
? 會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大于所申請空間的堆結點，然后將該結點從空閑結點鏈表??
? 中刪除，并將該結點的空間分配給程序，另外，對于大多數系統，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，由于找到的堆結點的大小不一定正好等于申請的大小，系統會自動的將多余的那部??
? 分重新放入空閑鏈表中。????
???
? 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確定的常數），如果申請的空間超過棧的剩余空間時，將??
? 提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。????
? 堆：堆是向高地址擴展的數據結構，是不連續的內存區域。這是由于系統是用鏈表來存儲??
? 的空閑內存地址的，自然是不連續的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小??
? 受限于計算機系統中有效的虛擬內存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，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。但程序員是無法控制的。????
? 堆是由new分配的內存，一般速度比較慢，而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。但是速度快，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后的下一條指令（函數調用語句的下一條可??
? 執行語句）的地址，然后是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧??
? 的，然后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后，局部變量先出棧，然后是參數，最后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：一般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是在編譯時就確定的；????
? 但是，在以后的存取中，在棧上的數組比指針所指向的字符串(例如堆)快。????
? 比如：????
? #include????
? void?? main()????
? {????
? char?? a?? =?? 1;????
? char?? c[]?? =?? "1234567890";????
? char?? *p?? ="1234567890";????
? a?? =?? c[1];????
? a?? =?? p[1];????
? return;????
? }????
? 對應的匯編代碼????
? 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。

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四.為了理解棧和堆，讓我們通過以下的代碼來了解背后到底發生了什么。

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，現在我們可以一行一行地來了解到底內部是怎么來執行的。

• Line 1：當這一行被執行后，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需要

• Line 2：現在將會執行第二步。正如棧的名字一樣，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。你可以認為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通過LIFO (Last In First Out)即先進后出的邏輯規則進行。換句話說，也就是最先進入棧中的數據項有可能最后才會出棧。
• Line 3：在第三行中，我們創建了一個對象。當這一行被執行后，.NET會在棧中創建一個指針，而實際的對象將會存儲到一個叫做“堆”的內存區域中。“堆”不會監測運行內存，它只是能夠被隨時訪問到的一堆對象而已。不同于棧，堆用于動態內存的分配。
• 這里需要注意的另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; 其實并沒有為Class1的實例分配內存，它只是在棧上為變量cls1創建了一個引用指針（并且將其默認職位null）。只有當其遇到new關鍵字時，它才會在堆上為對象分配內存。
• 離開這個Method1方法時（the fun）：現在執行控制語句開始離開方法體，這時所有在棧上為變量所分配的內存空間都會被清除。換句話說，在上面的示例中所有與int類型相關的變量將會按照“LIFO”后進先出的方式從棧中一個一個地出棧。
• 需要注意的是：這時它并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。

現在我們許多的開發者朋友一定很好奇為什么會有兩種不同類型的存儲？我們為什么不能將所有的內存塊分配只到一種類型的存儲上？

如果你觀察足夠仔細，基元數據類型并不復雜，他們僅僅保存像?‘int i = 0’這樣的值。對象數據類型就復雜了，他們引用其他對象或其他基元數據類型。換句話說，他們保存其他多個值的引用并且這些值必須一一地存儲在內存中。對象類型需要的是動態內存而基元類型需要靜態內存。如果需求是動態內存的話，那么它將會在堆上為其分配內存，相反，則會在棧上為其分配。棧的存取速度比堆快。

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最后給大家一個堆和棧的形象比喻：

使用棧就象我們去飯館里吃飯，只管點菜（發出申請）、付錢、和吃（使用），吃飽了就??
? 走，不必理會切菜、洗菜等準備工作和洗碗、刷鍋等掃尾工作，他的好處是快捷，但是自??
? 由度小。????
? 使用堆就象是自己動手做喜歡吃的菜肴，比較麻煩，但是比較符合自己的口味，而且自由??
? 度大。

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二.值類型和引用類型

CLR支持兩種類型，引用類型和值類型。這兩種類型的不同之處是，他們在.NET類層次結構中的位置不同，那么.NET為其分配的內存的方式也是不同的。

咳咳！直白點兒說：值類型就是現金，要用直接用；引用類型是存折，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，這個空間對應著該值類型變量，空間里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，得到的變量值對應的是該實例的內存分配地址，這就像您的銀行賬號一樣。

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C#的所有值類型均隱式派生自System.ValueType：

• 結構體：struct（直接派生于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）；
    • 用于財務計算的高精度decimal型：decimal（System.Decimal）。
  • bool型：bool（System.Boolean的別名）；
  • 用戶定義的結構體（派生于System.ValueType）。
• 枚舉：enum（派生于System.Enum）；
• 可空類型（派生于System.Nullable<T>泛型結構體，T?實際上是System.Nullable<T>的別名）。

值類型（Value Type），值類型實例通常分配在線程的堆棧（stack）上，并且不包含任何指向實例數據的指針，因為變量本身就包含了其實例數據

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C#有以下一些引用類型：

• 數組（派生于System.Array）
• 用戶用定義的以下類型：
  • 類：class（派生于System.Object）；
  • 接口：interface（接口不是一個“東西”，所以不存在派生于何處的問題。Anders在《C# Programming Language》中說，接口只是表示一種約定[contract]）；
  • 委托：delegate（派生于System.Delegate）。
• object（System.Object的別名）；
• 字符串：string（System.String的別名）。

可以看出：

• 引用類型與值類型相同的是，結構體也可以實現接口；
• 引用類型可以派生出新的類型，而值類型不能；
• 引用類型可以包含null值，值類型不能（可空類型功能允許將 null 賦給值類型）；
• 引用類型變量的賦值只復制對對象的引用，而不復制對象本身。而將一個值類型變量賦給另一個值類型變量時，將復制包含的值

再往深剖析就剖內存了，鄙人不懂所以就不寫了！

三.裝箱和拆箱

裝箱（box)：把值類型對象轉為引用類型的對象；
拆箱(unbox)：把引用類型對象轉為值類型的對象。
C#裝箱和拆箱原理：

裝箱：

int age = 24;

object refAge= age;

可以看的出，第一條語句創建一個變量age，并將值放在托管棧中；

第二條語句將age的值賦給引用類型。它將值24放在托管堆中。

這個值類型包裝為引用類型的過程，稱為裝箱。

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拆箱：

相反，將引用類型轉換為值類型的過程稱為拆箱。拆箱將對對象強制轉換為原來的類型。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。

下面是我們常寫的代碼，那么在這個過程中，裝箱和拆箱到底是怎么轉換的呢?

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

???????? 我們可以看看C#代碼被編譯為中間語言IL，就很清楚裝箱和拆箱的過程：

實際編碼過程中到底哪些是裝箱和拆箱呢？

1、引用類型之間不屬于裝箱和拆箱，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。 2、方法重載時，如果具有該類型的重載，那么就不叫拆箱或裝箱。 int n=10; Console.WriteLine(n);//沒有發生裝箱，因為方法重載。 3、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造成的影響。個人建議少用！

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的.NET六大剑客：栈、堆、值类型、引用类型、装箱和拆箱的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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