Ранее мы рассматривали следующие элементарные типы данных: int, byte, double, string, object и др. Также есть сложные типы: структуры, перечисления, классы. Все эти типы данных можно разделить на типы значений, еще называемые значимыми типами, (value types) и ссылочные типы (reference types). Важно понимать между ними различия.
Типы значений:
Целочисленные типы (byte, sbyte, short, ushort, int, uint, long, ulong
)
Типы с плавающей запятой (float, double
)
Тип decimal
Тип bool
Тип char
Перечисления enum
Структуры (struct
)
Ссылочные типы:
Тип object
Тип string
Классы (class
)
Интерфейсы (interface
)
Делегаты (delegate
)
В чем же между ними различия? Для этого надо понять организацию памяти в .NET. Здесь память делится на два типа: стек и куча (heap). Параметры и переменные метода, которые представляют типы значений, размещают свое значение в стеке. Стек представляет собой структуру данных, которая растет снизу вверх: каждый новый добавляемый элемент помещается поверх предыдущего. Время жизни переменных таких типов ограничено их контекстом. Физически стек - это некоторая область памяти в адресном пространстве.
Когда программа только запускается на выполнение, в конце блока памяти, зарезервированного для стека устанавливается указатель стека. При помещении данных в стек указатель переустанавливается таким образом, что снова указывает на новое свободное место. При вызове каждого отдельного метода в стеке будет выделяться область памяти или фрейм стека, где будут храниться значения его параметров и переменных.
Например:
class Program { static void Main(string[] args) { Calculate(5); } static void Calculate(int t) { int x = 6; int y = 7; int z = y + t; } }
При запуске такой программы в стеке будут определяться два фрейма - для метода Main (так как он вызывается при запуске программы) и для метода Calculate:
При вызове этого метода Calculate в его фрейм в стеке будут помещаться значения t, x, y и z. Они определяются в контексте данного метода. Когда метод отработает, область памяти, которая выделялась под стек, впоследствии может быть использована другими методами.
Причем если параметр или переменная метода представляет тип значений, то в стеке будет храниться непосредсвенное значение этого параметра или переменной. Например, в данном случае переменные и параметр метода Calculate представляют значимый тип - тип int, поэтому в стеке будут храниться их числовые значения.
Ссылочные типы хранятся в куче или хипе, которую можно представить как неупорядоченный набор разнородных объектов. Физически это остальная часть памяти, которая доступна процессу.
При создании объекта ссылочного типа в стеке помещается ссылка на адрес в куче (хипе). Когда объект ссылочного типа перестает использоваться, в дело вступает автоматический сборщик мусора: он видит, что на объект в хипе нету больше ссылок, условно удаляет этот объект и очищает память - фактически помечает, что данный сегмент памяти может быть использован для хранения других данных.
Так, в частности, если мы изменим метод Calculate следующим образом:
static void Calculate(int t) { object x = 6; int y = 7; int z = y + t; }
То теперь значение переменной x будет храниться в куче, так как она представляет ссылочный тип object, а в стеке будет храниться ссылка на объект в куче.
Теперь рассмотим ситуацию, когда тип значений и ссылочный тип представляют составные типы - структуру и класс:
State state1 = new State(); // State - структура, ее данные размещены в стеке Country country1 = new Country(); // Country - класс, в стек помещается ссылка на адрес в хипе // а в хипе располагаются все данные объекта country1 struct State { public int x; public int y; } class Country { public int x; public int y; }
Здесь в методе Main в стеке выделяется память для объекта state1. Далее в стеке создается ссылка для объекта country1 (Country country1
),
а с помощью вызова конструктора с ключевым словом new выделяется место в хипе (new Country()
). Ссылка в стеке для объекта country1 будет представлять адрес на место в хипе, по которому размещен данный объект..
Таким образом, в стеке окажутся все поля структуры state1 и ссылка на объект country1 в хипе.
Но, допустим, в структуре State также определена переменная ссылочного типа Country. Где она будет хранить свое значение, если она определена в типе значений?
State state1 = new State(); Country country1 = new Country(); struct State { public int x; public int y; public Country country; public State() { x = 0; y = 0; country = new Country(); } } class Country { public int x; public int y; }
Значение переменной state1.country также будет храниться в куче, так как эта переменная представляет ссылочный тип:
Тип данных надо учитывать при копировании значений. При присвоении данных объекту значимого типа он получает копию данных. При присвоении данных объекту ссылочного типа он получает не копию объекта, а ссылку на этот объект в хипе. Например:
State state1 = new State(); // Структура State State state2 = new State(); state2.x = 1; state2.y = 2; state1 = state2; state2.x = 5; // state1.x=1 по-прежнему Console.WriteLine(state1.x); // 1 Console.WriteLine(state2.x); // 5 Country country1 = new Country(); // Класс Country Country country2 = new Country(); country2.x = 1; country2.y = 4; country1 = country2; country2.x = 7; // теперь и country1.x = 7, так как обе ссылки и country1 и country2 // указывают на один объект в хипе Console.WriteLine(country1.x); // 7 Console.WriteLine(country2.x); // 7
Так как state1 - структура, то при присвоении state1 = state2
она получает копию структуры state2. А объект класса country1
при присвоении country1 = country2;
получает ссылку на тот же объект, на который указывает country2. Поэтому с изменением
country2, так же будет меняться и country1.
Теперь рассмотрим более изощренный пример, когда внутри структуры у нас может быть переменная ссылочного типа, например, какого-нибудь класса:
State state1 = new State(); State state2 = new State(); state2.country.x = 5; state1 = state2; state2.country.x = 8; // теперь и state1.country.x=8, так как state1.country и state2.country // указывают на один объект в хипе Console.WriteLine(state1.country.x); // 8 Console.WriteLine(state2.country.x); // 8 struct State { public int x; public int y; public Country country; public State() { x = 0; y = 0; country = new Country(); // выделение памяти для объекта Country } } class Country { public int x; public int y; }
Переменные ссылочных типов в структурах также сохраняют в стеке ссылку на объект в хипе. И при присвоении двух структур
state1 = state2;
структура state1 также получит ссылку на объект country в хипе. Поэтому изменение state2.country повлечет за
собой также изменение state1.country.
Организацию объектов в памяти следует учитывать при передаче параметров по значению и по ссылке. Если параметры методов представляют объекты классов, то использование параметров имеет некоторые особенности. Например, создадим метод, который в качестве параметра принимает объект Person:
Person p = new Person { name = "Tom", age = 23 }; ChangePerson(p); Console.WriteLine(p.name); // Alice Console.WriteLine(p.age); // 23 void ChangePerson(Person person) { // сработает person.name = "Alice"; // сработает только в рамках данного метода person = new Person { name = "Bill", age = 45 }; Console.WriteLine(person.name); // Bill } class Person { public string name = ""; public int age; }
При передаче объекта класса по значению в метод передается копия ссылки на объект. Эта копия указывает на тот же объект, что и исходная ссылка,
потому мы можем изменить отдельные поля и свойства объекта, но не можем изменить сам объект. Поэтому в примере выше сработает
только строка person.name = "Alice"
.
А другая строка person = new Person { name = "Bill", age = 45 }
создаст новый объект в памяти, и person теперь будет указывать на новый объект в памяти.
Даже если после этого мы его изменим, то это никак не повлияет на ссылку p
в методе Main, поскольку ссылка p все еще указывает на старый объект в памяти.
Но при передаче параметра по ссылке (с помощью ключевого слова ref) в метод в качестве аргумента передается сама ссылка на объект в памяти. Поэтому можно изменить как поля и свойства объекта, так и сам объект:
Person p = new Person { name = "Tom", age = 23 }; ChangePerson(ref p); Console.WriteLine(p.name); // Bill Console.WriteLine(p.age); // 45 void ChangePerson(ref Person person) { // сработает person.name = "Alice"; // сработает person = new Person { name = "Bill", age = 45 }; } class Person { public string name = ""; public int age; }
Операция new
создаст новый объект в памяти, и теперь ссылка person (она же ссылка p из метода Main) будет указывать уже на новый объект в памяти.