文章目录
- 知识回顾
- 一、栈(Stack)和堆(Heap)
- 1、什么是栈和堆
- 2、为什么要分栈和堆
- 3、栈和堆的区别
- 栈
- 堆
- 4、总结
- 二、值类型和引用类型
- 1、那么值类型和引用类型到底有什么区别呢?
- 值类型
- 引用类型
- 2、总结
- 三、特殊的引用类型string
- 1、为什么说string是特殊的引用类型?
- 2、理解字符串(string)引用类型
- 3、如何证明呢?
- 使用 `GetHashCode` 方法
- 通过断点调试直接查看变量指针内存地址
- 4、总结
- 四、垃圾回收( GC)
- 1. 什么是垃圾回收?
- 注意:
- 2. 为什么需要垃圾回收?
- 3. 如何工作?
- 堆分代
- 4. 什么时候发生垃圾回收?
- 5. 垃圾回收的优化和管理
- 6. 总结
- 五、总结
- 专栏推荐
- 完结
知识回顾
C# 中的变量类型可以分为 值类型
和 引用类型
两大类。
值类型
变量类型 | 描述 | 范围 |
---|---|---|
byte | 无符号8位整数 | 0 到 255 |
sbyte | 有符号8位整数 | -128 到 127 |
short | 有符号16位整数 | -32,768 到 32,767 |
ushort | 无符号16位整数 | 0 到 65,535 |
int | 有符号32位整数 | -2,147,483,648 到 2,147,483,647 |
uint | 无符号32位整数 | 0 到 4,294,967,295 |
long | 有符号64位整数 | -9,223,372,036,854,775,808 到 9,223,372,036,854,775,807 |
ulong | 无符号64位整数 | 0 到 18,446,744,073,709,551,615 |
float | 32 位单精度浮点数 | ±1.5 × 10^−45 到 ±3.4 × 10^38(精度约7位有效数字) |
double | 64 位双精度浮点数 | ±5.0 × 10^−324 到 ±1.7 × 10^308(精度约15–16位有效数字) |
decimal | 128 位高精度小数 | ±1.0 × 10^−28 到 ±7.9 × 10^28(精度约28–29位有效数字) |
bool | 8 位布尔型 | true 或 false |
char | 16 位单一字符型 | Unicode字符(0 到 65,535) |
引用类型
变量类型 | 描述 | 范围 |
---|---|---|
string | 字符串 | 任意长度的字符序列(理论上最多可达到 2GB) |
一、栈(Stack)和堆(Heap)
要了解值类型和引用类型的区别,我们得先得栈和堆的概率有个了解。
1、什么是栈和堆
简单理解就是,程序运行时,它的数据必须存储在内存中。栈和堆就是计算机内存中的两种不同的存储区域。
2、为什么要分栈和堆
通过分栈和堆,程序可以在性能和内存管理上做出平衡,从而让程序既高效又灵活。
3、栈和堆的区别
栈
- 栈空间比较小,但是读取速度快。
- 栈存储的是一些简单的数据
- 栈遵循
先进后出
原则,栈就像一个堆叠的盘子。你每次放入一个新盘子(数据),都会把它放在最上面。拿东西的时候,也都是从最上面拿,所以非常快速。 - 栈里的数据只在当前函数或方法运行时有效,一旦方法执行完毕,这些数据就会自动被销毁。
堆
- 堆空间比较大,但是读取速度慢。
- 堆存储的是一些较大的数据。
- 堆就像一个大大的垃圾堆,可以随意放东西。它不按照顺序来存放数据,而是根据需要分配空间,可以存储更复杂的对象
- 堆中的数据不会像栈那样自动清理。(但在 C# 中,
垃圾回收
会自动清理不再使用的对象)
4、总结
实际上,我们写程序并不需要关心内存是如何使用的,C#已经帮我们做好了。这里只是简单介绍这个概念,有些知识看不懂也没关系,比如垃圾回收
,后面肯定还会详细介绍。现在有个印象就行。
二、值类型和引用类型
在 C# 中,数据类型分为两大类:值类型(Value Types)和 引用类型(Reference Types)。
我们目前学了值类型和引用类型只有变量,但是其实不止
- 值类型其实还有
结构体(Struct)
、枚举(Enum)
, - 引用类型还有
类(Class)
、数组(Array)
、委托(Delegate)
。
这些我们后面会一一介绍,现在了解一下就行。
1、那么值类型和引用类型到底有什么区别呢?
因为只学了变量,这里就用变量举例。
值类型
- 直接存储数据,值类型的变量直接保存它们的数据。值类型直接存储在
栈
上。 - 值类型赋值时,会
复制值本身
。
比如
int a, b;
a = 100;
b = a;
Console.WriteLine("a的值:" + a);
Console.WriteLine("b的值:" + b);a = 20; // 重新给a赋值,b的值不会改变
Console.WriteLine("a的值:" + a);
Console.WriteLine("b的值:" + b);
打印结果,正如前面所说,重新给a赋值,b的值不会改变
画图说明
解释
:
-
声明变量 int a, b;
当你声明两个整数变量 a 和 b 时,编译器会在栈上为它们各自分配32位的存储空间。此时,这两个存储空间是空的,没有初始化任何值。 -
赋值 a = 100;
当你给变量 a 赋值为 20 时,栈上的存储空间 a 会被写入值 20。这个操作不会重新分配内存,而是直接在已经分配的内存位置写入新的值。 -
赋值 b = a;
当你执行 b = a; 时,栈上的存储空间 b 会被写入 a 的当前值。此时,a 和 b 都存储了值 20,但它们是独立的存储空间。 -
重新赋值 a = 20;
当你再次给 a 赋值为 20 时,栈上的存储空间 a 会被更新为新的值 20。这不会重新分配内存,而是直接在已经分配的内存位置写入新的值。
引用类型
- 间接存储数据,引用类型的变量保存的是对实际数据所在位置的
引用或地址
(也叫指针),而不是数据本身。引用类型存储在栈上的引用
(或指针)和堆上的实际数据
。 - 引用类型赋值时,会
复制引用
,但实际的数据不会复制。
画图说明,假设a b c都是引用类型
解释
:
-
声明引用类型 a 和 b;
这时 a 和 b 都是空引用,它们在栈上分配了空间,但它们指向的堆内存地址尚未确定,二者目前都没有引用任何实际的对象。
-
给 a 赋值:
此时,a 作为栈上的一个引用变量,指向堆上的值。b 仍然是空引用。
-
b = a; b 也指向 a 的堆值:
此时,a 和 b 都存储相同的堆内存地址,指向相同的堆对象。
-
a 修改为新值:
这时候a b的值就都变成了新值
-
重新定义 c,并给 c 赋值
此时,c 是一个新的引用类型变量,它在栈上存储了指向堆上c值的地址,且与 a 和 b 的值互不影响。
ps
:有些小伙伴可能会说了,前面不是说了string不就是引用类型吗,为什么不用string举例呢,这样不是更加直观?其实是因为string是特殊的引用类型,这个问题我接下来会说。
2、总结
特性 | 值类型 (Value Type) | 引用类型 (Reference Type) |
---|---|---|
存储方式 | 存储数据的值本身 | 存储数据的引用(内存地址) |
赋值行为 | 赋值时会复制数据,原始值和复制值互不影响 | 赋值时会复制引用,两个变量指向同一个对象 |
存储位置 | 通常存储在栈上 (stack),但结构体和其他类型可能存储在堆上 | 存储在堆上 (heap),引用存储在栈上 |
初始化 | 默认值为零或空值(如 0 、false 、null ) | 默认值为 null |
内存管理 | 系统负责管理内存(栈上分配的内存自动释放) | 由垃圾回收器 (GC) 管理内存 |
常见类型 | 基本数据类型(如 int 、float 等)、结构体、枚举 | 类、数组、委托、字符串等 |
三、特殊的引用类型string
1、为什么说string是特殊的引用类型?
学了前面引用类型的知识,我们可以拿string测试一下试试。
string str1, str2;
str1 = "名";
str2 = str1;
Console.WriteLine("str1的值:" + str1);
Console.WriteLine("str2的值:" + str2);str1 = "字";//重新赋值str1
Console.WriteLine("str1的值:" + str1);
Console.WriteLine("str2的值:" + str2);
按前面引用类型的概念,可能你想说第二次打印的结果应该是"字" "字"
。
实际上真是这样吗?我先来看看执行结果
有人会说,如果是值类型,结果倒还说的过去.但是不是说string是引用类型么?如果是引用类型的话。输出的结果难道不应该是: "名""名""字" "字"
么?
2、理解字符串(string)引用类型
理解字符串(string)在C#中的行为确实可能有些困惑,因为它们在某种程度上表现出值类型和引用类型的特性。让我们来详细解释一下。
-
字符串是
不可变
的
字符串在C#中是不可变的,这意味着一旦你创建了一个字符串对象,就不能修改它的内容。当你尝试修改一个字符串时,实际上是创建了一个新的字符串对象。 -
字符串为什么是
引用类型
因为它们在堆上分配内存,并且在栈上存储对堆上对象的引用。因此,多个变量可以引用同一个字符串对象。
3、如何证明呢?
使用 GetHashCode
方法
虽然这并不返回内存地址,但 GetHashCode 方法会返回一个与字符串内容相关的哈希值。这个值可以作为字符串的“标识符”,有时候在调试中,它能帮助你判断是否为同一个字符串实例。
string str1 = "xxxx";
string str2 = str1;
Console.WriteLine(str1.GetHashCode());
Console.WriteLine(str2.GetHashCode());str1 = "yyyy";
Console.WriteLine(str1.GetHashCode());
Console.WriteLine(str2.GetHashCode());
结果
通过断点调试直接查看变量指针内存地址
值类型,一开始内存地址就不一样
string引用类型,开始地址一样,重新赋值后地址不一样了
4、总结
字符串不叫值类型,因为它们确实具有引用类型的基本特性:在堆上分配内存,并且在栈上存储引用。尽管字符串的不可变性使得它们在某些方面表现得像值类型,但从技术上讲,它们仍然是引用类型。
由于字符串的不可变性,即使它们是引用类型,修改一个字符串变量不会影响其他引用相同字符串的变量。这是因为当你修改字符串时,实际上是创建了一个新的字符串对象,并将变量的引用指向了这个新对象。
string虽然方便,但是有一个小缺点就是频繁的改变string重新赋值会产生内存垃圾
,优化替代方案我们会在后面进行讲解
四、垃圾回收( GC)
垃圾回收(Garbage Collection,简称 GC)是 C# 等托管语言中的一个重要特性,它自动管理内存,帮助开发者避免内存泄漏和内存管理错误。理解垃圾回收机制对于你写高效、可靠的 C# 代码非常重要。下面我将从基础概念开始,逐步解释垃圾回收是如何工作的。
1. 什么是垃圾回收?
垃圾回收是由 .NET 运行时自动管理内存的过程,目的是清理不再使用的对象和资源,释放它们占用的内存空间,避免内存泄漏。它的核心任务是检测和清理不再被任何代码引用的对象。
在 C# 中,程序员无需手动分配和释放内存。运行时(CLR,公共语言运行时)会在合适的时机自动处理这些任务。这使得开发者可以专注于业务逻辑,而不必担心内存管理的复杂性。
注意:
- GC只负责
堆(Heap)
内存的垃圾回收。引用类型都是存在堆(Heap)
中的,所以它的分配和释放都通过垃圾回收机制来管理 栈(Stack)
上的内存是由系统自动管理的。值类型在栈(Stck)
中分配内存的,他们有自己的生命周期,不用对他们进行管理,会自动分配和释放
2. 为什么需要垃圾回收?
在很多编程语言中,内存管理是开发者的责任,手动管理内存(分配和释放)非常容易出错,导致内存泄漏或内存访问冲突。例如,开发者忘记释放内存,或者在内存已经被释放后再次访问它,都会导致程序出错。
C# 的垃圾回收机制通过自动管理内存,消除了这些问题。它能够:
- 自动清理不再需要的对象,释放内存。
- 防止内存泄漏。
- 确保对象不被提前销毁,避免内存错误。
3. 如何工作?
- 垃圾回收的过程是在遍历
堆(Heap)
上动态分配的所有对象 - 通过识别它们是否被引用来确定哪些对象是垃圾,哪些对像仍要被使用。
- 所谓的垃圾就是没有被任何变量,对象用的内容。
- 垃圾就需要被回收释放。
堆分代
为了提高垃圾回收的效率,.NET 的垃圾回收器采用了 分代回收策略。根据对象的存活时间,托管堆被划分为三个代:
- 代 0:
新创建的对象
通常放在这一代。它们存活时间很短,可能很快就会被回收。 - 代 1:如果一个对象在代 0 中存活了一段时间,它会被提升到代 1。代 1 中的对象通常存活时间较长。
- 代 2:这是最长寿命的对象所在的代。如果一个对象在代 1 中存活很长时间,它就会被提升到代 2。代 2 中的对象通常是程序中较为持久的对象,例如缓存或长时间运行的连接等。
代 0 的回收最为频繁,因为大部分对象在创建后很快就不再被引用,回收速度也最快。代 2 的回收最少,因为它涉及到的是长寿命对象的回收,过程较慢。
4. 什么时候发生垃圾回收?
垃圾回收并不是即时发生的,而是由 CLR 在需要时自动触发。通常,垃圾回收器会根据以下情况启动:
- 内存不足:当系统内存紧张,或堆中的内存达到一定阈值时,垃圾回收器会启动。
- 显式请求:程序员可以通过
GC.Collect()
显式触发垃圾回收,尽管通常不推荐这样做,因为垃圾回收器本身会在适当的时候自动工作。
5. 垃圾回收的优化和管理
虽然垃圾回收会自动进行内存管理,但为了提高程序的性能和资源使用效率,开发者可以做一些优化:
-
使用
IDisposable
接口:对于那些需要显式释放的资源(例如数据库连接、文件句柄等),实现IDisposable
接口并调用Dispose()
方法来显式释放资源,而不是等待垃圾回收器自动清理。 -
避免内存泄漏:保持引用清晰。不要无意间让不再需要的对象继续被引用,否则它们会一直存在于内存中,造成内存泄漏。
-
使用
using
语句:对于实现了IDisposable
接口的对象,可以使用using
语句来确保在使用完成后及时释放资源。
6. 总结
- 自动内存管理:垃圾回收器自动管理内存,程序员无需手动释放内存。
- 标记-清理算法:垃圾回收通过标记可达对象和清理不可达对象来释放内存。
- 分代回收:通过将对象分为不同的代(0、1、2代),提高垃圾回收的效率。
- 内存泄漏:尽管垃圾回收器可以自动清理不再使用的对象,但一些显式资源(如文件句柄、数据库连接)仍然需要开发者手动管理。
五、总结
程序运行时,它的数据必须存储在内存中,计算机内存可以分为栈
和堆
两种不同的存储区域。
C#数据类型可以分为 值类型
和 引用类型
两大类。
- 值类型直接存储数据,引用类型存储数据的引用(地址)
- 值类型数据存储在
栈
中,引用类型存储在堆
中
栈空间比较小,但是读取速度快。栈里的数据只在当前函数或方法运行时有效,一旦方法执行完毕,这些数据就会自动被销毁。
堆空间比较大,但是读取速度慢。堆内存的分配相对来说比栈内存更昂贵。每次创建引用类型对象时,都需要在堆中分配内存。堆中的数据不会像栈那样自动清理。
如果已经不再需要的内存没有被及时释放,会导致这些内存无法被回收和重用,最终可能耗尽系统的内存资源,导致程序崩溃或性能下降——也就是我们说的内存泄漏
。
好在,C# 为我们提供了一个自动内存管理机制——垃圾回收
(GC),它会在特定条件
下自动回收堆
中未使用的对象。,帮助开发者避免手动释放内存,减少内存泄漏的风险。
特定条件
指的是当程序的内存使用达到一定的阈值时,垃圾回收器会启动来清理不再使用的对象。(手动调用就不要理了,不推荐用)
C# 的垃圾回收器使用了“分代回收
”的概念,它将堆上的数据分成三代(0代、1代、2代
)进行存储,来优化垃圾回收的性能。
- 刚刚创建的数据在
0代
,经过一次GC后,如果还存活,就进入1代
,再经过一次GC,如果还存活,就进入2代
。
垃圾回收并不是免费的,它会占用一定的 CPU 资源和时间。在大规模对象创建和销毁的情况下,垃圾回收可能导致短暂的性能波动。
垃圾回收
是 自动
且 高效
的,虽然它很方便,但也可能带来一些性能开销。因此,开发者在编写程序时,仍需注意如何合理使用内存和优化对象管理。垃圾回收并不完美,C# 的垃圾回收系统已经在大多数情况下做得相当优秀。
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