.NET C# ‘string’ 类型思考与解析

1 ‘string’ 是值类型还是引用类型？

首先，需要清楚什么是值类型，什么是引用类型？

值类型的特点包括：

1. 分配在栈上。
2. 变量直接包含数据。
3. 赋值时进行的是数据的副本。

int i1 = 12;
int i2 = i1;
Console.WriteLine($"i1: {i1}, i2: {i2}");
i1 = 123;
Console.WriteLine($"i1修改后 - i1: {i1}, i2: {i2}");
Console.WriteLine();// 输出：
// i1: 12, i2: 12
// i1修改后 - i1: 123, i2: 12

引用类型的特点包括：

1. 分配在托管堆上，而不是栈上。
2. 变量存储的是对象的引用，而不是对象的实际数据。
3. 通过垃圾回收机制来管理其生命周期。

TestClass t1 = new TestClass("test1");
TestClass t2 = t1;
Console.WriteLine($"t1: {t1.Id}, t2: {t2.Id}");
t1.Id = "test2";
Console.WriteLine($"t1修改后 - t1: {t1.Id}, t2: {t2.Id}");// 输出：
// t1: test1, t2: test1
// t1修改后 - t1: test2, t2: test2

值类型与引用类型赋值的区别：

• 值类型赋值：将一个值类型变量赋值给另一个变量时，实际上是复制了该值的内容。这意味着两个变量各自拥有独立的数据副本，修改一个不会影响另一个。
• 引用类型赋值：将一个引用类型变量赋值给另一个变量时，复制的是对象的引用，而不是对象本身的数据。这意味着两个变量引用的是同一个对象，修改这个对象会影响所有引用它的变量。

‘string’ 赋值的表现：

string s1 = "ab";
string s2 = s1;
Console.WriteLine($"s1: {s1}, s2: {s2}");
s1 = "abc";
Console.WriteLine($"s1赋值后 - s1: {s1}, s2: {s2}");// 输出：
// s1: ab, s2: ab
// s1赋值后 - s1: abc, s2: ab

尽管 string 是引用类型，但它的赋值行为看起来像值类型。这是因为字符串在 C# 中是不可变的。不可变性意味着字符串一旦创建，其内容就不能被改变。任何对字符串的修改操作都会创建一个新的字符串对象，而不是修改原有对象。这种设计使得字符串的赋值操作更加直观和安全。

在这个示例中，str2 最初被赋值为与 str1 相同的引用。但当 str2 被重新赋值为 "world" 时，str2 引用了一个新的字符串对象，而 str1 仍然引用原来的字符串对象 "hello"。这种行为看起来像值类型的赋值，但实际上是因为字符串的不可变性导致的。

深入理解字符串不可变性与驻留机制：

1. 不可变性：不可变的设计使得每次修改字符串时都会生成一个新的字符串对象，而不会影响原有的字符串。这让字符串的赋值操作更像值类型的复制，而不是简单的引用复制。
2. 字符串驻留：C# 运行时会对字符串进行驻留处理，也就是说，对于相同的字符串常量，运行时会确保它们引用同一个对象。这进一步提升了内存效率和性能。

string s3 = "asd";
string s4 = "asd";
string s5 = new string("asd");
Console.WriteLine($"s3: {s3}, s4: {s4}, ReferenceEquals: {object.ReferenceEquals(s3, s4)}");
Console.WriteLine($"s3: {s3}, s5: {s5}, ReferenceEquals: {object.ReferenceEquals(s3, s5)}");
// 输出：
// s3: asd, s4: asd, ReferenceEquals: True
// s3: asd, s5: asd, ReferenceEquals: False

最后看下C#源码中string的声明：

public sealed partial class String : IComparable, IEnumerable, IConvertible, IEnumerable<char>, IComparable<string?>, IEquatable<string?>, ICloneable

可以看出 ‘string’ 实际上是一个不可被继承的类。

2 为什么字符串要设计成引用类型，且相同字符串会用一个地址的字符串实例，这样解决了什么问题，有什么好处？

字符串被设计成引用类型且相同字符串实例共享同一个地址，主要是为了解决效率和资源管理的问题。具体来说，以下几个原因解释了这种设计决策：

1. 内存使用效率：
   • 在许多应用中，字符串是非常常用的数据类型。将字符串设计为引用类型可以避免在栈上频繁分配和释放内存，减轻栈内存的压力。
   • 字符串池（intern pool）的机制允许相同内容的字符串共享同一个内存地址，这减少了重复字符串实例的内存消耗。例如，如果有多个变量都存储相同的字符串内容，这些变量实际上会引用同一个字符串对象，从而节省内存。
2. 性能优化：
   • 字符串的不可变性（immutable）使得它们在多线程环境下是安全的，因为不会有多个线程同时修改同一个字符串对象，这避免了数据竞争和复杂的锁机制。
   • 因为字符串是不可变的，每次对字符串进行修改都会创建一个新的字符串对象。如果字符串是值类型，那么每次操作都需要复制整个字符串的内容，这会导致大量的性能开销。而引用类型则只是复制一个引用，效率更高。
3. 字符拘留串池（intern pool）：
   • .NET 框架使用字符拘留串池来优化相同字符串的存储。编译器和运行时会自动将相同的字符串文字（literal）放入字符串池中，从而保证内存中只有一份相同内容的字符串实例。这不仅节省了内存，而且提高了字符串比较操作的效率，因为可以通过比较引用来快速判断两个字符串是否相等。
   • 字符串池的机制也有助于在运行时减少垃圾回收的负担，因为较少的重复字符串对象需要被分配和回收。

综上所述，将字符串设计为引用类型，并允许相同字符串共享同一个实例，是为了在内存使用和性能上取得平衡，尤其是在处理大量字符串数据的情况下，这种设计带来了显著的效率提升。