.NET中的值类型与引用类型

.NET中的值类型与引用类型

这是一个常见面试题，值类型(Value Type)和引用类型(Reference Type)有什么区别？他们性能方面有什么区别？

TL;DR（先看结论）

引用类型

常用的引用类型代码示例：

void Main()
{
    // 开始计数器
    var sw = Stopwatch.StartNew();
    long memory1 = GC.GetAllocatedBytesForCurrentThread();
    // 创建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; // 求和以免代码被优化掉
    for (var i = 0; i < data.Length; ++i)
    {
        sum += data[i].V15.V15.V0;
    }
    // 终止计数器
    sw.Stop();
    long memory2 = GC.GetAllocatedBytesForCurrentThread();
    // 输出显示结果
    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();
    }
}

这次代码中，我们创建了40万个B16类型，然后对这40万个B16进行了统计，其中：

• A1是一个字节（byte）的class；
• A16是包含16个A1的class；
• B16是包含16个A16的class；

可以计算出，B16=16·A16=16x16·A1=16x16x256 bytes，一共分配了40万个B16，所以一共有40_0000x256=1_0240_0000 bytes，或约100兆字节。

实际结果输出

电脑配置（之后的下文的性能测试结果与此完全相同）：

数字涵义：

• 40万条数据对1求和，结果是40万，正确；
• 总花费时间一共需要9417毫秒；
• 总内存开销约为3.4GB。

请注意看内存开销，我们预估值是100MB，但实际约为3.4GB，这说明了引用类型需要（较大的）额外内存开销。

一个空对象 要分配多大的堆内存？

以一个空白引用类型为例，可以写出如下代码（LINQPad中运行）：

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，否则运行在optimize+环境下会将new object()优化掉。

运行结果：24（在32位系统中，运行结果为：12）

空引用类型（64位）为何要24个字节？

一个引用类型的堆内存包含以下几个部分：

• 同步块索引（synchronization block index），8个字节，用于保存大量与CLR相关的元数据，以下基本操作都会用到该内存：
  • 线程同步（lock）
  • 垃圾回收（GC）
  • 哈希值（HashCode）
  • 其它
• 方法表指针（method table pointer），又叫类型对象指针（TypeHandle），8个字节，用来指向类的方法表；
• 实例成员，8字节对齐，没有任何成员时也需要8个字节。

由于以上几点，才导致一个空白的object需要24个字节。

• 因为没有同步块索引，导致：
  • 值类型不能参与线程同步（lock）
  • 值类型不需要进行垃圾回收（GC）
  • 值类型的哈希值计算过程与引用类型不同（HashCode）
• 因为没有方法表指针，导致：
  • 值类型不能继承

值类型的性能

值类型代码示例

void Main()
{
    // 开始计数器
    var sw = Stopwatch.StartNew();
    long memory1 = GC.GetAllocatedBytesForCurrentThread();
    // 创建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; // 求和以免代码被优化掉
    for (var i = 0; i < data.Length; ++i)
    {
        sum += data[i].V15.V15.V0;
    }
    // 终止计数器
    sw.Stop();
    long memory2 = GC.GetAllocatedBytesForCurrentThread();
    // 输出显示结果
    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;
}

几乎完全一样的代码，区别只有：

• 将所有的class（表示引用类型）关键字换成了struct（表示值类型）
• 将item = new B16()语句去掉了（因为值类型创建数组会自动调用默认构造函数）

运行结果

运行结果如下：

注意，分配内存只有102_400_024字节，比我们预估的102_400_000只多了24个字节。这是因为数组也是引用类型，引用类型需要至少24个字节。

比较

在这个示例中，仅将值类型改成引用类型，竟需要多出271倍的时间，和33倍的内存占用。

重新审视值类型

值类型这么好，为什么不全改用值类型呢？

值类型的优点，恰恰也是值类型的缺点，值类型赋值时是复制值，而不是复制引用，而当值比较大时，复制值非常昂贵。

在远古时代，甚至是没有动态内存分配的，所以世界上只有值类型。那时为了减少值类型复制，会用变量来保存对象的内存位置，可以说是最早的指针了。

在近代的的C里，除了值类型，还加入了指向动态分配的值类型的指针。其中指针基本可以与引用类型进行类比：

• ✔指针和引用类型的引用，都指向真实的对象内存位置
• ❌动态分配的内存需要手动删除，引用类型会自动GC回收
• ❌指针指向的内存位置不会变，引用类型指向的内存位置会随着GC的内存压缩而产生变化，可用fixed关键字临时禁止内存压缩
• ❌指针指向的内存没有额外消耗，引用类型需要分配至少24字节的堆内存

C++为了解决这个问题，也是卯足了劲。先是加入了值引用运算符 &，而后又发布了一版又一版的“智能”指针，如auto_ptr/shared_ptr/unique_ptr。但这些“智能”指针都需要提前了解它的使用场景，如：

• 有对象所有权还是没有对象所有权？
• 线程安全还是不安全？
• 能否用于赋值？

而且库与库之前的版本多样，不统一，还影响开发的心情。

所以引用类型的优势就出来了，不用关心对象的所有权，不用关心线程安全，不用关心赋值问题，而且最重要的，还不用关心值类型复制的性能问题。

C#中的值类型支持

引用类型是如此好，以至于平时完全不需要创建值类型，就能完成任务了。但为什么值类型仍然还是这么重要呢？就是因为一旦涉及底层，性能关键型的服务器、游戏引擎等等，都需要关心内存分配，都需要使用值类型。

因为只有C#才能不依赖于C/C++等“本机语言”，就可写出性能关键型应用程序。

C#因为有这些和值类型的特性，导致与其它语言（C/C++）相比时完全不虚：

• 首先，C#可以写自定义值类型
• C# 7.0 值类型Task（ValueTask）：大量异步请求，如读取流时，可以节省堆内存分配和GC 链接：https://devblogs.microsoft.com/dotnet/understanding-the-whys-whats-and-whens-of-valuetask/
• C# 7.0 ref返回值/本地变量引用：避免了大值类型内存大量复制的开销（有点像C++的&关键字了） 链接：https://devblogs.microsoft.com/dotnet/whats-new-in-csharp-7-0/#user-content-ref-returns-and-locals
• C# 7.0 Span<T>和Memory<T>，简化了ref引用的代码，甚至让foreach循环都可以操作修改值类型了 链接：https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/standard/memory-and-spans/memory-t-usage-guidelines
• C# 7.2 加入in修饰符和其它修饰符，相当于C++中的const TypeName& 链接：https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/whats-new/csharp-7-2#safe-efficient-code-enhancements
• C# 8.0 - Preview 5 可Dispose的ref struct，值类型也能使用Dispose模式了 链接：https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/csharp/whats-new/csharp-8#disposable-ref-structs

ASP.NET Core曾使用Libuv（基于C语言）作为内部传输层，但从ASP.NET Core 2.1之后，换成了用.NET重写，链接：https://docs.microsoft.com/en-us/aspnet/core/fundamentals/servers/kestrel?view=aspnetcore-2.2#transport-configuration

最后的话

开发经常拿C#与同样开发Web应用的其它语言作比较，但由于缺乏对值类型的支持，这些语言没办法与C#相比。

其中Java还暂不支持自定义值类型。