C#.Net筑基-类型系统①基础

C#.Net的BCL提供了丰富的类型，最基础的是值类型、引用类型，而他们的共同（隐私）祖先是 System.Object（万物之源），所以任何类型都可以转换为Object。

01、数据类型汇总

C#.NET 类型结构总结如下图，Object是万物之源。最常用的就是值类型、引用类型，指针是一个特殊的值类型，泛型必须指定确定的类型参数后才是一个正式的类型。

1.1、值类型汇总⭐

• bool 虽然只需要1位空间，但仍然占用了1个字节，是因为字节是处理器的最小单位。如果有大量的Bool，可用BitArray。
• 值类型大多都是“不可变的”，就意味着修改会创建新的对象，上面表格中除了自定义的结构体Struct外都是不可变的。
• CTS（Common Type System）为通用类型系统，为微软定制的通用类型规范，所有.Net语言都支持（如F#、VB、C#）。不符合CTS就意味着C#独有。

1.2、引用类型汇总⭐

1.3、Object-万物之源

System.Object是所有类型的根，任何类都是显式或隐式的继承于System.Object，包括值类型，所以任何类型都可以转换为Object！

下面代码为.Net中的 System.Object 源码：

public partial class Object
{
    public Object(){ }
    public virtual string? ToString()
    {
        return GetType().ToString();
    }
    protected internal unsafe object MemberwiseClone();  //对象浅拷贝
    public virtual bool Equals(object? obj)
    {
        return this == obj;
    }
    public static bool Equals(object? objA, object? objB)
    {
        return objA == objB || (objA != null && objB != null && objA.Equals(objB));
    }
    public static bool ReferenceEquals(object? objA, object? objB)
    {
        return objA == objB;
    }
    public virtual int GetHashCode()
    {
        return RuntimeHelpers.GetHashCode(this);
    }
    ~Object(){}  //终结器
}

02、值类型与引用类型

值类型和引用类型是C#中最重要、最常用的两种数据类型，两者是有很多区别的，而且常常和性能有很大关系，因此这是C#开发者必须掌握的基础知识。

2.1、值类型 VS 引用类型

• default可以表示任意类型的默认值，编译时会被赋值。struct的默认值为每个字段设置默认值。

int x = 100;
int y = x;     //值拷贝传递
string name = "sam";
int[] arr = new int[] { 1, 2, 3 };
var list = arr; //引用地址传递，实际指向同一个引用对象，分身幻象

📢 两者核心区别就是存储的方式不同，理解这一点非常重要，在变量（字段）赋值、方法参数传递上都是如此。

🔸Stack 栈：（线程）栈，由操作系统管理，存放值类型、引用类型变量（就是引用对象在托管堆上的地址）。栈是基于线程的，也就是说一个线程会包含一个线程栈，线程栈中的值类型在对象作用域结束后会被清理，效率很高。

🔸托管堆（GC Heap）：进程初始化后在进程地址空间上划分的内存空间，存储.NET运行过程中的对象，所有的引用类型都分配在托管堆上，托管堆上分配的对象是由GC来管理和释放的。托管堆是基于进程的，当然托管堆内部还有其他更为复杂的结构。

关于更多堆栈内存信息，查看后文《C#的内存管理艺术》

📢值类型可使用out、ref关键字，像引用类型一样传递参数地址。两者对于编译器是一样的，都是取地址，唯一区别就是ref参数需要在外面初始化，out参数在方法内部初始化。

2.3、装箱和拆箱⁉️

因为值类型、引用类型的基类都是Object，因此值类型、引用类型是可以相互转换的，但这个转换是有很高成本的，这个过程就是装箱、拆箱。

int x = 100;     //一个普通的值类型变量
object obj =x;   //装箱到obj
int y = (int)obj;//拆箱到y

可视化分析一下这个过程：

🔸装箱：值类型转换为引用对象，一般是转换为System.Object类型，或接口类型。所以“箱子”就是Object引用对象，装箱的过程：

• ❶ 在GC堆上申请内存，内存大小为值类型的大小，再加上额外固定空间（引用类型的标配：TypeHandle和同步索引块）；
• ❷ 将值（100）拷贝到分配的内存中；
• ❸ 返回新对象（箱子）的引用地址给变量obj。

🔸拆箱：引用类型转换为值类型，注意，这里的引用类型只能是被装箱的引用类型对象。

• ❶ 检测操作是否合法，如箱子是否为null，类型是否和待拆箱的类型一致，检测失败则抛出异常InvalidCastException。
• ❷ 把箱子中的值拷贝到栈上。

上面三行装箱、拆箱代码的IL代码：装箱box、拆箱unbox是两个专门的指令。

由上可知，装箱会在GC堆上创建一个“箱子”（Object对象）来装载值，这是装箱造成极大的性能损失的根本原因，拆箱则把值搬回到栈内存上。

• 只有值类型才会有装箱、拆箱，引用类型一直都在“箱子”里。
• 相对来说装箱的性能损失更大，原因不难理解，创建引用对象（箱子）的性能开销更大。

📢在日常开发中，很容易发生隐式装箱，所以要特别注意，尽量用泛型。如ArrayList、Hashtable 都是面向Object的集合，应该用List<T>、Dictionary<TKey, TValue>代替。

ArrayList arr = new ArrayList();
arr.Add(1);      //装箱
arr.Add(true);   //装箱
Hashtable ht = new Hashtable();
ht.Add(1,1.2f);  //装箱了两次

对比测试装箱、拆箱的性能影响：

private T Add<T>(T arg1,T arg2) where T:INumber<T>
{
	return arg1+arg2;
}
private int AddWithObject(object x, object y)
{
	return (int)x + (int)y;
}

测试结果比较明显，装箱的方法在执行效率、内存消耗上都要差很多。

03、Nullable?可空类型

可空类型可用于值类型、引用类型，他们使用语法类似，不过他们是完全不同的两种东西。值类型的可空?是一个泛型Nullable<T>类型，而引用类型的?只是一个用于编译器检查的语法。

int? n = null;
string? str = "sam";

可空值类型、引用类型都支持null操作符：

• Null 条件运算符，str?.Length
• Null 合并赋值，n??=1。

3.1、值类型的Nullable<T>

对于值类型，可空值类型表示值类型对象可以为null值，可空值类型T?的本质其实是Nullable<T>，他是一个值类型（结构体）。

int x0 = default;  //默认值为0
int? x1 = default; //默认值值为null
int? x2 = null;
Nullable<int> x3 = null;  //同上

if (x3.HasValue)
{
    Console.WriteLine(x3.Value);
}
int a = x0 + (x3.HasValue? x3.Value : 10);
int b = x0 + x3 ?? 10; //效果同上

• 简化的语法为：Type?，示例：int? n;，类型后跟一个问号"?"，和引用类型的可空语法一样。
• 属性HasValue判断是否有值，Value获取值，如果HasValue为false时获取 Value 值会抛出异常。
• 转换：T可隐式转换为T?，反之则需要显示转换。

下面为Nullable<T>的源码，是一个简单的结构体，T被约束为结构体（值类型）。

public struct Nullable<T> where T : struct
{
    //判断是否有值
	public readonly bool HasValue { get; }
    //获取值
	public readonly T Value { get; }
    public readonly T GetValueOrDefault()
    public readonly T GetValueOrDefault(T defaultValue)
}

3.2、可空引用类型T?

引用类型本身的默认值就是null，为了避免一些场景下不必要的 NullReferenceException，就有了可空的引用类型T?，其核心目的就是为提高代码的健壮性。可空的引用类型并不是一个“新的类型”，而是一个编译指令，告诉编译器这个引用类型变量可能是null，使用时需检查，未初始化也没检查null就使用，编译器会产生编译告警，由此来提前发现潜在Bug，提高代码健壮性。如果没加?，则该表示引用对象不会为null。

要开启可空引用类型需要配置启用才行：

• 在项目配置中开启：<Nullable>enable</Nullable>，值disable表示不启用。
• 在代码文件中启用，在文件头部加#nullable enable，只对当前代码文件有效。

public int GetLength(string? firstName, string lastName)
{
	var len = firstName.Length; //编译器会警告 firstName 可能为null
	if (firstName != null)      //加上null判断就好了
		len += firstName.Length;
	len = firstName!.Length;    //加上!，则忽略检查
	len += lastName.Length;     //lastName不会为null，没有告警
	return len;
}

对于上面的示例代码，编译器会认为firstName可能会为null，在使用前必须初始化，或者检查是否为null。而lastName不会为null，可以直接使用。

📢 消除可空引用类型的编译告警的方法是结尾加!（null 包容运算符），告诉编译器这个对象肯定不会为null，别再告警了！

在命名空间“System.Diagnostics.CodeAnalysis”下还有一些特性，用来辅助代码的静态检查和编译器检查。

[NotNull]  //标记返回值不会为null
private string? FullName => "sam";

//当方法返回false时参数value不会为null。该方法就是string.IsNullOrEmpty的源码
public static bool IsNullOrEmpty([NotNullWhen(false)] string? value)
{
	if ((object)value != null)
	{
		return value.Length == 0;
	}
	return true;
}

04、类型转换⭐

数据类型之间是可以相互转换的，由一个数据类型转换为另一数据类型，常见的转换方式：

📢注意：

• 几乎所有类型都可以隐式转换为 Object，注意值类型转换Object会装箱。
• 对于值类型，范围小的类型转换范围大的类型大都支持隐式转换，且不会损失精度，如float转double，int转浮点数。反之则需要强制转换，可能会损失精度，或溢出。
• is 语句可用于模式匹配，实现灵活的类型、数据检查，详细参考《C#中的模式匹配汇总》。

int a = (int)'a';     // 强制类型转换
Console.WriteLine(a); // 97

float f = a;          // 隐式类型转换
Console.WriteLine(f);

object obj = f;         //装箱，值类型隐式转换为引用类型
float f2 = (float)obj;  //拆箱
if(obj is float f3)     //is检查是否为float类型，如果是则转换值到变量f3
{
    Console.WriteLine(f3);
}
string str = obj as string; //as 转换失败，obj是float装箱
Console.WriteLine(str);     //null

4.1、数值转换方式汇总

05、相等、大小比较

📢 值类型比较的是值（结构体会比较其所有字段值），引用类型是比较的引用地址！

public interface IComparable<in T>
{
	int CompareTo(T? other);
}
public interface IEquatable<T>
{
	bool Equals(T? other);
}
public interface IEqualityComparer<in T>
{
	bool Equals(T? x, T? y);

	int GetHashCode([DisallowNull] T obj);
}
// System.Object
public static bool Equals(object? objA, object? objB)
{
	if (objA == objB)
	{
		return true;
	}
	if (objA == null || objB == null)
	{
		return false;
	}
	return objA.Equals(objB);
}

• Equals()方法必须自相等，即 x.Equals(x) 必为true。
• 对于值类型，大多数情况下Equals()方法等效于 ==，只有double.NaN例外，double.NaN 不等于任何对象。而引用类型则不一定了，有些引用类型重写了Equals()方法，而没有重写 == 运算符。

Console.WriteLine(double.NaN == double.NaN);     //False
Console.WriteLine(double.NaN.Equals(double.NaN));//True

Console.WriteLine(object.Equals(1,1));           //True  //装箱比较值
Console.WriteLine(object.ReferenceEquals(1,1));  //False //装箱比较引用

StringBuilder sb1 = new StringBuilder("sb");
StringBuilder sb2 = new StringBuilder("sb");
Console.WriteLine(sb1 == sb2);                     //False
Console.WriteLine(object.Equals(sb1,sb2));         //False
Console.WriteLine(object.ReferenceEquals(sb1,sb2));//False
Console.WriteLine(sb1.Equals(sb2));				   //True  //与上面的 object.Equals(sb1,sb2) 不同

上面的 StringBuilder 重新实现了 Equals方法，但不是继承覆盖，而是隐式new覆写实现的，因此只能在 通过 StringBuilder 引用调用时才有效。参考：StringBuilder 源码。

5.1、自定义相等

⁉️什么时候需要自定义相等比较？

• 提高比较速度，多用于自定义结构体。
• 修改相等比较的语义，基于实际业务需要自定义相等的规则，如System.Url、String.String 都是引用类型，只要字符值相同则相等（== 和 Equals）。

⁉️如何自定义相等比较？

• 重写 GetHashCode() 和 Equals() 方法。这两个一般是一起配对重写，需注意 二者的一致性。
• （可选）重载 != 和 ==。
• （可选）实现 IEquatable<T> 接口。

📢GetHashCode() 是基类 Object 的一个虚方法，该方法用于获取一个对象的 Int32 类型的散列码。该散列码只在键值结构（Hashtable、HashSet、Dictionary）中使用，用来表示元素的唯一“ID”，用于在哈希表中快速检索数据。

GetHashCode()的默认实现：

• 值类型的散列码 是由每一个字段的值来计算的，如果有多个字段则通过一定的规则组合（如异或运算）。
• 引用类型则基于对象的内存地址。

so，如果重写了Equals() 方法，则一般要重写GetHashCode()，让两者匹配。当然如果不遵守该规则也没问题，只是在使用哈希表时可能会出现问题（如性能严重下降）。

参考资料

• .NET类型系统②常见类型
• C# 文档
• 《C#8.0 In a Nutshell》
• .NET面试题解析(02)-拆箱与装箱
• .NET面试题解析(01)-值类型与引用类型