【从零开始入门unity游戏开发之——C#篇43】C#补充知识——值类型和引用类型汇总补充、变量的生命周期与性能优化、值类型和引用类型组合使用

向宇it2025-01-01 11:12

文章目录

一、值类型和引用类型汇总补充

1、值类型和引用类型汇总

我们学了很多新的值类型和引用类型，这里列个表全部分类一下，方便大家查看对比

类型类别 类型 描述
值类型 byte 无符号 8 位整数 (范围：0 到 255)
ushort 无符号 16 位整数 (范围：0 到 65,535)
uint 无符号 32 位整数 (范围：0 到 4,294,967,295)
ulong 无符号 64 位整数 (范围：0 到 18,446,744,073,709,551,615)
sbyte 有符号 8 位整数 (范围：-128 到 127)
short 有符号 16 位整数 (范围：-32,768 到 32,767)
int 有符号 32 位整数 (范围：-2,147,483,648 到 2,147,483,647)
long 有符号 64 位整数 (范围：-9,223,372,036,854,775,808 到 9,223,372,036,854,775,807)
float 单精度浮点数 (32 位，范围大约为 ±1.5 x 10^−45 到 ±3.4 x 10^38)
double 双精度浮点数 (64 位，范围大约为 ±5.0 × 10^−324 到 ±1.7 × 10^308)
decimal 高精度十进制数（128 位，用于财务和其他需要高精度的应用）
char 单一字符 (16 位 Unicode 字符)
bool 布尔值 (true 或 false)
enum 枚举类型，定义一组命名常数值
struct 结构体类型，可以包含字段、方法、属性等，常用于表示值对象
引用类型 string 字符串类型，表示文本，实际上是 char[] 的封装
array 数组类型，可以是任何数据类型的集合
class 类类型，用于定义对象的蓝图
interface 接口类型，用于定义类和结构体的契约
delegate 委托类型，用于定义引用方法的类型

2、值类型和引用类型的区别

  • 值类型：

    • 存储：直接存储数据值。
    • 分配方式：在栈（stack）上分配内存。
    • 赋值行为：赋值时会复制数据，两个变量的修改不会相互影响。

  • 引用类型：

    • 存储：存储的是数据的引用（即指向内存中数据的地址）。
    • 分配方式：在堆（heap）上分配内存。
    • 赋值行为：赋值时会复制引用，两个变量指向同一内存位置，修改其中一个会影响另一个。

3、简单的判断值类型和引用类型

可以看到前面有这么多的数据类型，记不住怎么办？

我们可以在编辑器按F12或者ctrl+鼠标左键点击进去类型的内部查看信息

  • 如果是class（类）就是引用类型
  • 如果是struct（结构体）就是值类型

比如int就是值类型

string就是引用类型

二、变量的生命周期与性能优化

1、栈和堆的区别

C# 中的变量存储在栈（Stack）和堆（Heap）上，这取决于变量的类型：

  • 值类型（Value Types） ：包括 int、double、struct 等。值类型的变量直接存储数据本身，它们通常被分配在栈上。当超出作用域时，栈上的值类型会自动被回收。
  • 引用类型（Reference Types） ：包括 class、string、array、delegate 等。引用类型的变量存储的是指向实际数据（在堆上的对象）的引用（地址）。当引用类型变量超出作用域时，栈上的引用会被回收，但堆上的对象不会立即被销毁，而是会等待垃圾回收（GC）机制回收。

2、变量生命周期

  • 栈上值类型变量：当栈上的值类型变量超出作用域时，它会被立即销毁。
  • 堆上引用类型变量：引用类型的变量在栈上存储的是对象的地址，当栈上的引用类型变量超出作用域时，指向堆上对象的引用会被清除，但堆上的对象不会立刻被销毁，只有在垃圾回收（GC）时，它们才会被回收。

3、垃圾回收（GC）机制

  • 垃圾回收：C# 使用垃圾回收机制来自动管理内存，特别是对堆上的对象进行内存管理。当对象没有任何引用时，它会被垃圾回收器标记为垃圾并释放其占用的内存空间。
  • 值类型的回收：栈上存储的值类型变量会在超出作用域后自动销毁，不需要显式回收。
  • 引用类型的回收：栈上存储的引用会在超出作用域时被回收，但堆上的对象仍然需要垃圾回收器来管理。垃圾回收器会在堆上标记不再使用的对象并释放内存。

4、代码示例与优化

4.1. 临时变量的生命周期与回收

C# 中，当一个临时变量（如局部变量）超出其作用域时，它会被销毁，特别是在语句块（如函数、条件语句、循环语句等）执行结束时，栈上的局部变量会自动回收。

示例 1：

csharp 复制代码 
void Example()
{
    int i = 5;  // 局部变量 i
}  // 变量 i 超出作用域后，会被销毁
  • 当 Example 方法执行完后，i 超出了作用域，栈上分配给 i 的内存会被回收。

下面这里会报错的原因就是，栈是先进后出原则，{}包裹语句块，执行完成，i2就被回收了，所以外面打印不到i2内容

4.2. 临时变量的性能问题：每次创建新变量

在某些情况下，频繁创建临时变量可能会带来性能上的开销，尤其是在循环中。例如：

示例 2（性能问题）：

csharp 复制代码 
while (true)
{
    int i = 1;  // 每次循环都会创建新的 i
}
  • 每次进入循环时，int i 都会在栈上分配内存，循环执行多次时，会频繁地分配和销毁 i，这会带来一定的性能开销。

4.3. 性能优化：减少不必要的变量创建

为了避免每次循环都重新创建新的变量，可以将变量声明移到循环外部。这样，变量只会被创建一次，循环内部只修改变量的值，而不需要反复创建。

优化方法 1：

csharp 复制代码 
int i = 1;  // 移动到循环外部，减少变量创建次数
while (true)
{
    i = 1;  // 只是赋值，避免每次循环都重新创建变量
}
  • 这样，i 只会在循环外部创建一次，而每次循环只需要修改它的值，不会进行重复的内存分配和回收。

4.4. 使用成员变量或者静态变量

如果变量在多个方法或类实例之间共享，你可以考虑将变量声明为 成员变量 或 静态变量。这可以避免频繁创建临时变量，提高性能。

优化方法 2（成员变量）：

csharp 复制代码 
class Test
{
    int i;  // 成员变量

    public void TestMethod()
    {
        while (true)
        {
            i = 1;  // 只修改成员变量的值
        }
    }
}

优化方法 3（静态成员变量）：

csharp 复制代码 
class Test
{
    static int i;  // 静态成员变量

    public void TestMethod()
    {
        while (true)
        {
            i = 1;  // 只修改静态变量的值
        }
    }
}
  • 成员变量 ：如果 i 只是与某个对象的状态相关，可以将 i 声明为成员变量。
  • 静态变量 ：如果 i 在所有对象之间共享，可以将其声明为静态变量。注意，静态变量是类级别的，而非实例级别的。

5、其他注意事项

  • 静态变量与垃圾回收：静态变量的生命周期与应用程序的生命周期相同，在整个程序运行期间，它们会一直存在，直到程序结束时才会被垃圾回收。
  • 避免不必要的内存分配：在高频率执行的循环中，尽量避免在每次循环中创建新变量，尤其是值类型。可以考虑将变量移到循环外部，或者使用静态变量和成员变量。

6、总结

  • 值类型：存储在栈上，超出作用域后会自动回收。
  • 引用类型：存储在堆上，栈上的引用超出作用域时会被回收，但堆上的对象直到垃圾回收器执行时才会被回收。
  • 性能优化：减少不必要的内存分配和销毁，避免在循环中频繁创建局部变量。可以通过将变量移到循环外部或使用成员变量、静态变量来优化性能。

三、值类型和引用类型组合使用

1、结构体中的值类型和引用类型

我们知道，在C#中，结构体 (struct) 是值类型存储在栈上，而引用类型（如 string）存储在堆上。那么结构体中的字段算是值类型还是引用类型呢？尤其是如何区分这两种类型的内存分配方式。

  • 结构体 (struct) 本身是值类型，因此当你复制结构体时，结构体内的所有字段（无论是值类型还是引用类型）都会被复制，而不是对象的实际内容。

  • 结构体中的值类型字段：存储的是实际的值，并且这个值直接存储在结构体的实例内存区域中。如果结构体作为方法参数传递，它会被 复制，因此对结构体字段的修改不会影响原始结构体。

  • 结构体中的引用类型字段：这些字段存储的是对堆中对象的引用（即地址）。即使结构体是值类型，结构体内部的引用类型字段仍然会引用堆中的对象。当结构体复制时，引用类型字段的引用会被复制，因此多个结构体实例可以引用同一个堆对象。

2、类中的值类型和引用类型

  • 类（class）是引用类型，意味着它的实例会在堆上分配内存，变量存储的是对对象的引用（地址），而不是对象的实际内容。

  • 类中的值类型字段：在类中的值类型字段（如 int、float 等）存储的是实际的值，这些值存储在对象的内存区域。因为类本身是引用类型，所以这些值会随着类的对象一起存储在堆上。

  • 类中的引用类型字段：这些字段存储的是对堆中对象的引用。当引用类型字段被赋值时，实际上是将引用的地址传递给另一个变量，因此修改一个引用类型字段会影响所有引用该对象的变量。

3、数组中的值类型和引用类型

  • 数组本身是引用类型 ：这意味着当你创建一个数组时，实际上是创建了一个指向堆（heap）中数据的引用。栈（stack）上只保存了这个引用，而实际的数据存储在堆中。
  • 类中的值类型字段 ：如果数组是值类型的数组（如 int[], double[]），那么数组中的每个元素都是独立的值类型实例，它们直接存储在数组所在的堆内存中。
  • 类中的引用类型字段 ：如果数组是引用类型的数组（如 string[], object[]），那么数组中的每个元素都是引用，指向堆中某个对象的实际位置。

4、结构体继承接口

在C#中，结构体（struct）可以实现接口，尽管结构体是值类型而接口是引用类型。

4.1 示例

比如我们新增一个结构体继承接口

csharp 复制代码 
interface ITest { 
    int Value {
        get;
        set;
    }
}

struct TestStruct : ITest
{
    private int value;
    public int Value { 
        get => value; 
        set => this.value = value; 
    }
}

根据里氏替换原则，父类可以装子类。所以我们可以用接口容器（父类）装载结构体（子类）。

csharp 复制代码 
TestStruct ts1 = new TestStruct();
ts1.Value = 1;
Console.WriteLine(ts1.Value);

TestStruct ts2 = ts1;
ts2.Value = 2;
Console.WriteLine(ts1.Value);
Console.WriteLine(ts2.Value);

ITest it1 = ts1;//装箱
ITest it2 = it1;
it2.Value = 100;
Console.WriteLine(it1.Value);
Console.WriteLine(it2.Value);

结果

根据结果我们可以发现，后面it1 it2的值打印都是100，相当于我们强行把值类型变成了引用类型。

4.2装箱拆箱

用接口容器装载结构体存在装箱拆箱。当你将一个实现了接口的结构体赋给接口类型的变量时，会发生装箱操作，即将值类型转换为引用类型。相反的过程称为拆箱。

csharp 复制代码 
TestStruct ts1 = new TestStruct();
ITest it1 = ts1;//装箱
TestStruct ts3 = (TestStruct)it1;//拆箱

4.3 性能考虑

频繁的装箱和拆箱会对性能产生负面影响，尤其是在循环或大量数据处理的情况下。为了避免这种性能问题，你可以考虑以下策略：

  • 使用类而不是结构体：如果需要频繁地将对象存储在接口容器中，考虑使用类而非结构体，以避免装箱开销。
  • 减少装箱次数：尽量减少不必要的装箱操作，例如通过缓存已经装箱的对象。
  • 泛型：使用泛型可以避免装箱。例如，List 可以持有值类型而不发生装箱。

5、简单记忆口诀

值类型跟大哥走，引用类型很自我

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完结

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