程式設計之基礎：資料型別（一）

周見智發表於2015-02-06
程式設計資料型別

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完整目錄與前言

程式設計之基礎：資料型別（一）   

資料型別是程式設計的基礎，每個程式設計師在使用一種平臺開發程式時，首先得知道平臺中有哪些資料型別，每種資料型別有哪些特點、又有著怎樣的記憶體分配等。熟練掌握每種型別不僅有利於提高我們的開發效率，還能使我們開發出來的程式更加穩定、健全。.NET中的資料型別共分為兩種：引用型別和值型別，它們無論在記憶體分配還是行為表現上，均有著非常大的差別。

3.1 引用型別與值型別

關於對引用型別和值型別的定義，聽得最多的是：值型別分配線上程棧中，而引用型別分配在堆中。這個定義並不準確（因為值型別也可以分配在堆中，而引用型別在某種場合也可以分配在棧中），或者說太抽象，它只是從記憶體分配的角度來區分值型別和引用型別，而對於記憶體分配，我們開發者是很難直觀地去辨別。如果從程式碼角度來講，.NET中的值型別是指"派生自System.ValueType的型別"，而引用型別則指.NET中排除值型別在外的所有其它型別。下圖3-1顯示了.NET中的型別佈局：

圖3-1 型別佈局

如上圖3-1所示，派生自System.ValueType的型別屬於值型別（圖中虛線部分，不包括System.ValueType），所有其它型別均為引用型別（包括System.Object、System.ValueType）。在以System.Object為根的龐大"繼承樹"中圈出一部分（圖中虛線框），那麼該小部分就屬於"值型別"。

    注：以上對值型別和引用型別的解釋似乎有些難以理解，為什麼"根"是引用型別，而某些"枝葉"卻是值型別？這是因為.NET內部對派生自System.ValueType的型別做了些"手腳"（這些對我們來講是不可見的），使其跟其它型別（引用型別）具備不一樣的特性。另外，.NET中還有一些引用型別並不繼承自System.Object類，比如使用interface關鍵字定義的介面，它根本不在"繼承樹"的範圍之類，這樣看來，像我們平時聽見的"所有型別均派生自System.Object型別"的話似乎也不太準確，這些隱藏的不可告人的祕密都是.NET內部做的一些處理，大部分並沒有遵守主流規律。

通常值型別又分為兩部分：

1）簡單值型別：包括類似int、bool、long等.NET內建型別，它們本質上也是一種結構體；

2）複合值型別：使用Struct關鍵字定義的結構體，如System.Drawing.Point等。複合值型別可以由簡單值型別和引用型別組成，下面定義一個複合值型別：

1 //Code 3-1
2 
3 struct MultipleValType
4 {
5     int a; //NO.1
6     object c; //NO.2
7 }

如上程式碼Code 3-1所示，MultipleValType型別包含兩個成員，一個簡單值型別（NO.1處），一個引用型別（NO.2處）。

值型別均預設派生自System.ValueType，又由於.NET不允許多繼承，因此我們既不可以在程式碼中顯示定義一個派生自System.ValueType的結構體，同時也不可以讓某個結構體繼承自其它結構體。

引用型別和值型別各有自己的特性，這具體表現在記憶體分配、型別賦值（複製）、型別判等幾個方面。

3.1.1 記憶體分配

本節開頭就談到，引用型別物件與值型別物件在記憶體中的儲存方式不相同，使用new關鍵字建立的引用型別物件儲存在（託管）堆中，而使用new關鍵字建立的值型別物件則分配在當前執行緒棧中。

    注：堆和棧的具體概念請參見本書後面講"物件生命期"的第四章。另外，使用類似"int a = 0;"這種方式定義的簡單值型別變數，跟使用new關鍵字"Int32 a = new Int32();"效果一樣。

下面程式碼顯示建立一個引用型別物件和一個值型別物件：

 1 //Code 3-2
 2 
 3 class Ref //NO.1
 4 {
 5     int a;
 6     Ref ref;
 7     public Ref(int a,Ref ref)
 8     {
 9         this.a = a;
10         this.ref = ref;
11     }
12 }
13 struct Val1 //NO.2
14 {
15     int a;
16     bool b;
17     public Val1(int a,bool b)
18     {
19         this.a = a;
20         this.b =b;
21     }
22 }
23 struct Val2 //NO.3
24 {
25     int a;
26     Ref ref;
27     public Val2(int a,Ref ref)
28     {
29         this.a = a;
30         this.ref = ref;
31     }
32 }
33 class Program
34 {
35     static void Main()
36     {
37         Ref r = new Ref(0,new Ref(1,null)); //NO.4
38         Val1 v1 = new Val1(2,true); //NO.5
39         Val2 v2 = new Val2(3,r); //NO.6
40     }
41 }

如上程式碼Code 3-2所示，先定義了一個引用型別Ref（NO.1處），它包含一個值型別和一個引用型別成員；然後定義了兩個值型別（NO.2和NO.3處），前者只包含兩個簡單值型別成員（int和bool型別），後者包含一個簡單值型別和一個引用型別成員；最後分別各自建立一個物件（NO.4、NO.5以及NO.6處）。建立的三個物件在堆和棧中儲存情況見下圖3-2：

 

圖3-2 堆和棧中資料儲存情況

如上圖3-2所示，值型別物件v1和v2均存放在棧中，而引用型別物件均存放在堆中。

通常程式執行過程中，執行緒會讀寫各自對應的棧（因此有時候我們稱"執行緒棧"），也就是說，"棧"才是程式進行讀寫資料的地方，那麼程式怎麼訪問存放在堆中的資料（物件）呢？這就需要在棧中儲存一個對堆中物件的引用（索引），程式就可以通過該引用訪問到存放在堆中的物件。

    注：引用型別物件一般分為兩部分：物件引用和物件例項，物件引用存放在棧中，程式使用該引用訪問堆中的物件例項；物件例項存放在堆中，裡面包含物件的資料內容，有關它們更詳細介紹，請參見本書後面有關"物件生命期"的第四章。

3.1.2 位元組序

我們知道，記憶體可以看作是一塊具有連續編號的儲存空間，編號有大有小，所以有高地址和低地址之分。如果以位元組為單元進行編號，那麼一塊記憶體可以用下圖3-3表示：

圖3-3 記憶體結構

如上圖3-3所示，從左往右，地址編號依次增大，左側稱為"低地址"，右側稱為"高地址"。編號為0x01位元組中儲存數值為0x01，編號為0x02位元組中儲存數值為0x09，編號為0x03位元組中儲存數值為0x00，編號為0x04位元組中儲存數值為0x1a，每個位元組中均可存放一個0~255之間的數值。那麼這時候，如果我問你，圖3-3中最左側四個位元組表示的一個int型整數為多少？你可能會這樣去計算：0x01*2的24次方+0x09*2的16次方+0x00*2的8次方+0x1a*2的0次方，然後這樣解釋：高位位元組在左邊，低位位元組在右邊，將這樣的一個二進位制數轉換成十進位制數當然是這樣計算。事實上，這種計算方法不一定正確，因為沒有人告訴你高位位元組一定在左邊（低地址），而低位位元組一定在右邊（高地址）。

當佔用超過一個位元組的數值存放在記憶體中時，位元組之間必然會有一個排列順序，我們稱之為"位元組序"，這種順序會因不同的硬體平臺而不同。高位位元組存放在低地址，而低位位元組存放在高地址（如剛才那樣），我們稱之為"Big-Endian"；相反，高位位元組存放在高地址，而低位位元組存放在低地址，我們稱之為"Little-Endian"。在使用高階語言程式設計的今天，我們大部分時間不用去在意"位元組序"的差別，因為這些都有系統底層支撐模組幫我們判斷完成。

.NET中的值型別物件和引用型別物件在記憶體中同樣遵循"位元組序"的規律，如下面一段程式碼：

 1 //Code 3-3
 2 
 3 class Program
 4 {
 5     static void Main()
 6     {
 7         int a = 0x1a09;
 8         int b = 0x2e22;
 9         int c = b;
10     }
11 }

如上程式碼Code 3-3所示，變數a、b、c在棧中儲存結構如下圖3-4：

圖3-4 整型變數在棧中的儲存結構

如上圖3-4所示，圖中右邊為棧底（注意這裡，通常情況下，棧底位於高地址，棧頂位於低地址）。依次將c、b和a壓入棧，圖中上部分為按"Big-Endian"的位元組序存放資料，而圖中下部分為按"Little-Endian"位元組序存放資料。

3.1.3 裝箱與拆箱

前面講到，new出來的值型別物件存放在棧中，new出來的引用型別物件存放在堆中（棧中有引用指向堆中的例項）。如果我們把棧中的值型別轉存到堆中，然後通過一個引用訪問它，那麼這種操作叫"裝箱"；相反，如果我們把裝箱後在堆中的值型別轉存到棧中，那麼就叫"拆箱"。下面程式碼Code 3-4表示裝箱和拆箱操作：

 1 //Code 3-4
 2 
 3 class Program
 4 {
 5     static void Main()
 6     {
 7         int a = 1; //NO.1
 8         object b = a; //NO.2
 9         int c = (int)b; //NO.3
10     }
11 }

如上程式碼Code 3-4所示，NO.1定義一個整型變數a，它存放在棧中，NO.2處進行裝箱操作，將棧中的a的值複製一份到堆中，並且使用b引用指向它，NO.3處將裝箱後堆中的值複製一份到棧中，整個過程棧和堆中的變化情況見下圖3-5：

 

圖3-5 裝/拆箱棧和堆中變化過程

如上圖3-5所示，裝箱時將棧中值複製到堆中，拆箱時再將堆中的值複製到棧中。

使用時間短、主要是為了儲存資料的型別應該定義為值型別，存放在棧中，隨著執行緒中方法的呼叫完成，棧中的資料會不停地自動清理出棧，再加上棧一般情況下容量都比較有限，因此，建議型別設計的時候，值型別不要過大，而把那種體積大、程式需要長時間使用的型別定義為引用型別，存放在堆中，交給GC統一管理。同時，拆裝箱涉及到頻繁的資料移動，影響程式效能，應儘量避免頻繁的拆裝箱操作發生。

    注：圖3-5中棧的儲存是連續的，而堆中儲存可以是隨機的，具體原因參見本書後續有關"物件生命期"的第四章。

3.2 物件相等判斷

在物件導向的世界裡，隨處充滿著"物件"的影子，那麼怎麼去判斷物件的相等性呢？所謂相等，指具有相同的組成、屬性、表現行為等，兩個物件相等並不一定要求相同。.NET物件的相等性判斷主要包括以下三個方面：

3.2.1 引用型別判等

 引用型別分配在堆中，棧中只存放對堆中例項的一個引用，程式只能通過該引用才能訪問到堆中的物件例項。對引用型別來講，只有棧中的兩個引用指向堆中的同一個例項時，才能說這兩個物件相等（其實是同一個物件），其餘任何時候，物件都不相等，就算兩個物件中包含的資料一模一樣。用圖3-6表示為：

圖3-6 引用型別判等

如上圖3-6所示，左邊的a和b分別指向堆中不同的物件例項，雖然例項中包含相同的內容，但是它兩不相等；右邊的a和b指向堆中同一個例項，因此它們相等。

可以看出，對於引用型別來講，判斷兩個物件是否相等很簡單，直接判斷兩個物件引用是否指向堆中同一個例項，若是，則相等；其餘任何情況都不相等。

    注：熟悉C/C++中指標的讀者應該很清楚，兩個不同的整型變數a和b，雖然a的值和b的值相等（比如都為1），但是它們兩的地址肯定不相等（參見前面講到的"位元組序"）。.NET中引用型別判等其實就是比較物件在堆中的地址，不同的物件地址肯定不相等（就算內容相等）。另外，.NET中的String型別是一種特殊的引用型別，它不遵守引用型別的判等標準，只要兩個String包含相同的字串，那麼就相等，String型別判等更符合值型別的判等標準。

3.2.2 簡單值型別判等

簡單值型別包括.NET內建型別，比如int、bool、long等，這一類的比較準則跟現實中所說到的"相等"概念相似，只要兩者的值相等，那麼兩者就相等，見如下程式碼：

 1 //Code 3-5
 2 
 3 class Program
 4 {
 5     static void Main()
 6     {
 7         int a = 10;
 8         int b = 11;
 9         int c = 10;
10     }
11 }

如上程式碼Code 3-5所示，a和c相等，與b不相等。為了與引用型別判等進行區分，見下圖3-7：

圖3-7 簡單值型別在棧中的儲存情況

如上圖3-7所示，假設按照"Big-Endian"的位元組序排列，右邊是棧底，程式依次將c、b以及a壓入棧。我們可以看到，如果比較a和c的內容，"a==c"成立；但是如果比較a和c的地址，很明顯，a的（起始）地址為0x01，而c的（起始）地址為0x09，它兩的地址不相等。

簡單值型別的比較只關注兩者包含的內容，而不去關心兩者的地址，只要它們的內容相等，那麼它們就相等。複合值型別也是比較兩者包含的內容，只是複合值型別可能包含多個成員，需要挨個成員進行一一比較，詳見下一小節。

    注：雖然筆者很不想在.NET的書籍中提到有關指標（地址）的話題，但是為了說明"引用型別判等"的標準與"值型別判等"的標準有何區別，還是稍微提到了指標。我們可以很容易對比發現，引用型別判等其實就是比較物件在堆中的地址，而物件在堆中的地址就是由棧中的引用來表示的，地址不同，棧中引用的值肯定不相等，把棧中引用想象成一個儲存堆中地址的變數，完全可以用簡單值型別的判等標準去判斷引用是否相等。

3.2.3 複合值型別判等

前面講過，複合值型別由簡單值型別、引用型別組成。既然也是值型別的一種，那麼它的判等標準和簡單值型別一樣，只要兩個物件包含的內容依次相等，那麼它們就相等。下面程式碼Code 3-6定義了兩種複合值型別，一種只由簡單值型別組成，一種由簡單值型別和引用型別組成：

 1 //Code 3-6
 2 
 3 struct MultipleValType1 //NO.1
 4 {
 5     int _a;
 6     int _b;
 7     public MultipleValType1(int a,int b)
 8     {
 9         _a = a;
10         _b = b;
11     }
12 }
13 struct MultipleValType2 //NO.2
14 {
15     int _a;
16     int[] _ref;
17     public MultipleValType2(int a,int[] ref)
18     {
19         _a = a;
20         _ref = ref;
21     }
22 }
23 class Program
24 {
25     static void Main()
26     {
27         MultipleValType1 mvt1 = new MultipleValType1(1,2); //NO.3
28 
29         MultipleValType1 mvt2 = new MultipleValType1(1,2); //NO.4
30         // mvt1 equals mvt2 return true;
31         MultipleValType2 mvt3 = new MultipleValType2(2,new int[]{1,2,3}); //NO.5
32         MultipleValType2 mvt4 = new MultipleValType2(2,new int[]{1,2,3}); //NO.6
33         //mvt3 equals mvt4 retturn false;
34     }
35 }

如上程式碼Code 3-6所示，建立兩個複合值型別，一個只包含簡單值型別成員（NO.1處），另一個包含簡單值型別成員和引用型別成員（NO.2處），最後建立了兩對物件mvt1和mvt2（NO.3和NO.4處）、mvt3和mvt4（NO.5和NO.6處），它們都存放在棧中。mvt1和mvt2相等，因為它兩包含相等的成員（_a都等於1，_b都等於2），相反，mvt3和mvt4卻不相等，雖然看起來它兩初始化是一樣的（_a都等於1，_ref都指向堆中一個int[]陣列，並且陣列中的值也相等），原因很簡單，按照前面關於"引用型別判等"的標準，mvt3中的_ref和mvt4中的_ref根本就不是指向堆中同一個物件例項（即mvt3._ref!=mvt4._ref）。為了更好地理解這其中的區別，請見下圖3-8：

圖3-8 複合值型別記憶體分配

如上圖3-8所示，建立的4個物件均存放在棧中，mvt1和mvt2包含相等的成員，因此它兩相等，但是mvt3和mvt4包含的引用型別成員_ref並不相等，它們指向堆中不同的物件例項，因此mvt3和mvt4不相等。

對於值型別而言，判斷物件是否相等需要按以下幾個步驟：

（1）若是簡單值型別，則直接比較兩者內容，如int、bool等；

（2）若是複合值型別，則遍歷對應成員：

    1）若成員是簡單值型別，則按照"簡單值型別判等"的標準進行比較；

    2）若成員是引用型別，則按照"引用型別判等"的標準進行比較；

    3）若成員是複合值型別，則遞迴判斷。

值型別判等是一個"遞迴"的過程，只要遞迴過程中有一次比較不相等，那麼整個物件就不相等。詳見下圖3-9：

圖3-9 值型別判等流程

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