值类型、引用类型在堆栈、托管堆中分配

 转自《发掘 C# 特性赋予科学计算项目以威力》 原著：Fahad Gilani 翻译：yy2better
英文出处中文译稿

　　C#中对象类型主要有两种——引用类型（重量级对象）和值类型（轻量级对象）。

　　引用类型总是在堆中分配（除非使用 stackalloc 关键字），并给予一个额外的间接层；也即，它们需要通过对其存储位置的引用来访问。既然这些类型不能直接访问， 某个引用类型的变量总是保存实际对象的引用（或 null ) 而不是对象本身。假设引用类型在堆中分配，运行时必须确保每个分配请求被正确执行。考虑下面代码，它执行一次成功的分配：

Matrix m = new Matrix(100, 100);

　　其幕后执行是：CLR内存管理器收到分配请求，它会计算存储该对象包括头部和类变量所需的内存数量。然后内存管理器检查堆中可用空闲空间，以确认是否有足够空间供这次分配。如果有，对象 所需空间会被成功分配并且对其存储地址的引用也会被返回。如果没有足够空间存储对象，垃圾收集器将被启动去释放一些空间并进行堆紧缩操作。

　　如果执行成功，为了保持后续的垃圾收集操作，内存管理器将对象写入内存前还必须采取另一个重要步骤。这一步骤涉及产生一块称作写屏障（write barrier）的代码（垃圾收集器的实现细节超出本文范围）。相反地，每当有对象被写入内存或 者当对象在内存中产生对另一个对象的引用（例如原先存在对象指向新创建对象），运行时便生成写屏障。垃圾收集器功能实现的许多复杂性之一是要记住这些对象的存在 可写性，因而在收集过程中它们不会被误收集，虽然它们是被毫不相关的另一个对象所指向的对象。正如你可能会猜测，这些写屏障招致小的运行时开销，所以对于科学 计算应用来说，在运行过程中创建数百万对象不是理想场景。

　　值类型被直接存储在栈中（虽然此规则有例外，我马上会讲到）。值类型不需要间接层，所以值类型变量总保存自身实际值而不能将引用保存为其它类型（因而，它们也就不能为 null）。使用值类型主要优点是它们的分配只产生很小的运行时开销。分配它们时，只是简单增加栈指针并且不需要被内存管理器管理。这些对象决不调用垃圾收集功能。此外，值类型不生成写屏障。

　　C#中，简单数据类型（int，float，byte）、枚举类型和结构（struct）类型都是值类型。虽然前面我讲过值类型直接存储在栈中，但我没有使用“总是”，正如我论述引用类型时一样。包含在引用类型内的值类型不会被存储在栈中，而是堆中，它被包含于引用类型对象中。例如，看看下面代码片段：

class Point
{
  private double x, y;

  public Point (double x, double y)
  {
    this.x = x;
    this.y = y;
  }
}

　　这个类的一个实例占用24字节，其中8字节用于对象头，剩余16字节用于两个双精度变量x和y。与此同时，引用类型是包含在值类型对象中的（例如，结构中包含数组） ，它不会导致整个对象在堆中分配。只有数组在堆中分配，对该数组的引用被置于在栈中存放的结构中。

　　值类型派生于 System.ValueType，它本身又派生于 System.Object。因为这个，值类型具备像类一样的特征。值类型有构造函数（除了无参数构造函数）、索引指示器（indexer）、方法和重载运算符，它们也能实现接口。然而，它们不能被继承，也不能从其 它类型继承。这些对象容易成为 JIT 优化因素，因为它们生成有效、高性能代码。

　　这里有一个警告：极其容易意外地将值类型设陷为一个对象，从而导致在堆中分配它——众所周知，这就是装箱（boxing）技术。确信你的代码 不会进行在不必要的值装箱操作，否则将失去最初得到的性能。另一个警告是：值类型数组（例如双精度或整型数组）是在堆中存放，而不是栈中。只有保存数组引用的值是存放在栈中。这是因为所有数组类型都隐含派生于System.Array，它们都是引用类型。

----------------

雨痕附注：
1. 将值类型转换为其实现的接口时，也将进行装箱操作，因为接口是引用类型。
2. 值类型数组虽然分配在堆上，但数组元素依然是值类型，并没有被装箱。
3. 引用对象的值类型成员也随对象一起分配在堆上，同样也还是值类型，没有被装箱。