C#.Net筑基-类型系统①基础

安木夕2024-05-21 8:04

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⭐

🔸值类型 Type 说明 示例/备注
byte System.Byte 8 位（1字节）无符号整数，0到255，
sbyte System.SByte 8 位（1字节）有符号整数，-128 到 127 不符合 CLS
int System.Int32 32位（4字节）有符号整型 ，大概-21亿-21亿
uint System.UInt32 32位（4字节）无符号整型， 0 到 42亿 不符合 CLS
short System.Int16 16 位（2字节）有符号短整数，-32768 到 32767，
ushort System.UInt16 16 位（2字节）无符号 短整数， 0 到 65535 不符合 CLS
long System.Int64 64位（8字节）有符号长整形，19位数
ulong System.UInt64 64位（8字节）无符号长整形，20位数 不符合 CLS
Int128 Int128 128 位有符号整数，.Net7支持
BigInteger BigInteger 表示任意大小的（有符号）整数，不可变值
整数表示 - 十六进制：0x/0X前缀；二进制：0b/0B前缀 var默认为int
float System.Single 32位（4字节）单精度浮点数，最多6-7 位小数，-+3.402823E38 后缀f/F
double System.Double 64位（8字节）双精度浮点数，最多15-16 位小数，-+1.7*E308 后缀d/D
decimal System.Decimal 128位（16字节）高精度浮点数，28位小数，-+7.9E28 后缀m/M
bool System.Boolean 8位（1字节）布尔型，只有两个值：true、false
char System.Char 16 位（2字节）单个字符，0 到 65,535的码值，使用 UTF-16 编码
enum System.Enum 支持任意整形的（常量）枚举，可以看做是一组整形的常量值集合
Complex Complex 表示一个复数，实部和虚部都为double
Guid Guid 全局唯一标识符（16字节），一出生就是全球唯一的值 Guid.NewGuid()
struct 结构体 是一种用户自定义的值类型，常用于定义一些简单（轻量）的数据结构
DateTime DateTime 时间日期，详见下一章节
  • 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⭐

🔸引用类型 Type 说明 示例/备注
object System.Object .NET 类的顶层基类，万物之源，包括所有值类型、引用类型 万物之源
string System.String 字符串，引用类型，使用上有点像值类型 恒定性、驻留性
dynamic System.Dynamic 动态类型，编译时不检查，可随意编码，只在运行时检查 dynamic = 12
Interface - 严格来说并不是"类型"，只是一组契约，可作为引用申明变量 接口契约
Class - 定义一个引用类型，隐式继承自object 定义类
Delegate System.Delegate 委托类型，详见后文《解密委托与事件》
IEnumerable - 可枚举集合接口，几乎所有集合类型都实现了该接口
T[] Array 数组，同上枚举接口，更多参考《.Net中的集合》
匿名类型 new{P=v,V=1} 动态申明一个临时匿名类型实例， 编译器会创建类
元祖 Tuple 内置的一组包含若干属性的泛型类，常用(ValueTuple)编译器支持
recored record 记录类型，支持class（默认）、struct，其实就是简化版的类型申明 编译器创建完整类型

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！

成员 描述
string? ToString () 返回对象的字符串，默认返回对象类型名称，按需重写。
bool Equals (object? obj) 比较是否与当前（this）相同，引用类型比较引用地址，值类型比较值&类型，可重写！
int GetHashCode () 获取当前对象的哈希码，用于哈希集合Dictionary、Hashtable中快速检查相等性。但不可用于相等判断，如果重写了Equals，应同时重写GetHashCode，确保两者一致。
Type GetType () 当前实例的准确运行时类型。如果是类型，在可用typeof(T)
protected ~Object (); Object.Finalize析构函数，GC调用释放资源，按需实现。一般配合Dispose(GC.SuppressFinalize )
protected object MemberwiseClone() 浅拷贝，创建新对象>赋值非静态字段，引用类型字段就是赋值引用地址了。
static bool Equals(Object, Object) 比较相同，内部会调用实例的Equals(Object)方法
static bool ReferenceEquals(o1,o2) 比较两个引用对象 是否同一实例，⁉️注意如果用于值类型会被装箱从而始终false。

下面代码为.Net中的 System.Object 源码：

csharp 复制代码 
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

区别 值类型 ValueType 引用类型 ReferenceType
⭐存储位置 栈（Stack），也可以称为线程栈 堆（GC Heap），由GC管理
⭐存储内容 值 对象在堆上，引用变量在栈上，栈存储的的是堆上对象的内存地址
⭐传递方式 值传递，参数传递时传递的是值拷贝，各回各家 传递的是引用（地址），因此是同一个对象，分身代理
装箱、拆箱 转换为object、接口时会装箱、拆箱 无
默认值default 数字、枚举默认0，bool默认false 默认null
占用内存大小 就值本身的长度，如int为4个字节 值本身+额外空间（引用对象的标配：TypeHandle、同步块）
继承的对象 隐式继承自System.ValueType 默认继承自Object
接口、继承 不支持继承其他值类型，可继承接口 支持继承类、接口
怎么判断 Type.IsValueTypeo.GetType().IsValueType IsValueType ==false
生命周期 作用域结束就释放，或方法结束就释放了 由GC管理，当对象没被使用了，GC检查后标记清除
性能 栈内存性能很高 低，需要GC分配内存、GC释放
  • 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。
csharp 复制代码 
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。

csharp 复制代码 
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。

csharp 复制代码 
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：

csharp 复制代码 
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。

csharp 复制代码 
int? n = null;
string? str = "sam";

可空值类型、引用类型都支持null操作符：

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）。

csharp 复制代码 
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）。

csharp 复制代码 
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。
csharp 复制代码 
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。

csharp 复制代码 
[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：

转换方式 说明 备注/示例
隐式转换 转换是自动的，一般是兼容的数值类型之间，编译时检查 int n =100; float f = n;
强制显示转换 使用强制 转换操作符转换，(Type)value 值类型编译时检查，引用类型运行时检查，失败抛出异常！
装箱、拆箱 值类型转换为引用类型object，反之为拆箱 装箱是隐式的，拆箱需显示转换
as显示转换 只用于引用类型转换：value as Type 运行时检查，失败返回null
is类型检查 检查一个值是否为指定（兼容）类型，如果是则转换 if(obj is float f) {}
类型方法Parse 内置值类型基本都提供Parse、TryParse方法 int.Parse("123")
Convert 静态类，提供了大量的静态方法来转换内置数据类型 Convert.ToInt16(false)
BitConverter 静态类，各种内置类型和字节之间的转换方法 BitConverter.GetBytes(0xff)
XmlConvert 静态类，提供了各种内置类型和string之前的转换方法 XmlConvert.ToInt32("1221")
<TypeConverter> System.ComponentModel 空间下提供的大量类型转换器 var cc = TypeDescriptor.GetConverter(typeof(Color))
dynamic 动态类型并不算是类型转换，作为一种特殊方式，运行时检查 dynamic d = Foo; d.Print();

📢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》。
csharp 复制代码 
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

转换需求 转换方法 示例
解析十进制数字 Parse、TryParse int.Parse("1234")，double.Parse("123.04")
解析2/8/16进制数 Convert.To() Convert.ToInt32("F",16)//15
16进制格式化 ToString("X") 1234.ToString("X6")//0004D2
无损数值转换 隐式转换 int n = 100; double d = n;
截断数值转换 显示转换 T v2 = (T)v1 double d=12.56d; int n = (int)d; //n = 12，直接截断，不会四舍五入
四舍五入转换 Convert.To()、Math.Round(d) int n = Convert.ToInt32(d); //n = 13，四舍五入转换 int n = Math.Round(d) //n = 13，可指定小数位数

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！

比较操作 说明
==、!= 相等运算符，其本质是调用静态方法（运算符重载方法）
a.Equals(b) 实例的虚方法（可被重写），运行时根据实际类型调用。 🔸 ①、a不能为null，否则就NullReferenceException了。 🔸 ②、引用类型默认比较引用地址，值类型会递归调用每一个字段的Equals方法。 🔸 ③、装箱的值类型会比较箱子内的值。
Object.Equals(a,b) Object静态方法，null判断+a.Equals(b)，参数是Object，值类型会装箱。
Object.ReferenceEquals(a,b) Object静态方法，只比较引用地址
IEquatable<T> 相等接口方法bool Equals(T? other)
IComparable<T> 大小比较 int CompareTo(T? other)，返回一个int值：a.CompareTo(b)// a>b 返回1，a==b 返回 0， a<b 返回 -1
>、< 大小比较运算符，结果应该和上面 IComparable 保持一致
IEqualityComparer<T> 扩展的相等比较接口，非泛型版本 IEqualityComparer
StringComparer 提供了用于字符串的多种类型的比较器：StringComparer.Ordinal.Compare("h","H")
csharp 复制代码 
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。
csharp 复制代码 
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

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