C# 内存篇

C#程序在CLR上运行的时候，内存从逻辑上划分为两大块：堆(托管堆)和栈(堆栈)。

堆：堆是一块动态分配的内存区域，用于存储对象和数据，堆内存的分配和释放由CLR(公共语音运行库)管理，通过垃圾回收（GC）机制自动清理不再使用的对象。
- 灵活分配：堆内存可以动态分配和释放，适合存储大数据和复杂对象。
- 自动回收：堆内存由垃圾回收器自动管理，无需程序员手动释放内存。
- 访问速度较慢：由于堆内存是非连续分配的，访问速度相对较慢。
栈：是一种后进先出的数据结构，主要用于存储局部变量、函数参数和返回地址等，栈的内存分配和释放由编译器自动管理，当函数调用结束时，栈顶的内存会自动释放。
- 快速访问：由于栈内存是连续分配的，访问速度非常快。
- 自动管理：栈内存由编译器自动分配和释放，无需程序员手动管理。
- 有限空间：栈的空间相对较小，适合存储小数据。

将按照类型（值类型 vs 引用类型）和使用场景（局部变量、字段、数组元素等）来归纳总结：

1. 值类型（Value Types）

局部变量

栈上分配 ：当值类型作为方法中的局部变量时，通常是在栈上分配的。

void Method()
{int number = 42; // 局部变量，通常在栈上分配
}

方法参数

栈上分配 ：传递给方法的值类型参数是以值的形式复制到栈上的。

void Method(int param) // 参数param通常是栈上的
{//方法体
}

字段

堆上分配 ：如果值类型是类的实例字段，则它们会随着类实例一起存储在堆上。

public class MyClass
{public int Number; // 实例字段，位于堆上
}

栈或堆上分配 ：如果值类型是结构体（struct）的字段，其分配位置取决于该结构体本身的位置。如果结构体是局部变量或方法参数，则字段在栈上；如果是类的字段或集合的一部分，则在堆上。

数组元素

堆上分配 ：即使数组包含的是值类型，整个数组对象仍然会被分配到堆上。每个数组元素的行为就像类的实例字段一样，即它们也被存储在堆上。

int[] numbers = new int[10]; // 数组numbers在堆上，其元素也在堆上

闭包和异步方法

堆上分配 ：如果一个匿名函数捕获了局部变量，这些变量将被提升到堆上，以便它们可以在匿名函数的作用域之外保持有效。同样地，在异步方法中，局部变量可能会被编译器转换为状态机的一部分，并因此存储在堆上。

Func<int> GetIncrementer()
{int counter = 0;return () => ++counter; // counter将被提升到堆上
}

2. 引用类型（Reference Types）

局部变量

栈上分配 ：引用类型的局部变量本身存放在栈上，但它们指向的对象（如类实例）存放在堆上。

void Method()
{MyClass obj = new MyClass(); // obj是栈上的引用MyClass实例在堆上
}

方法参数

栈上分配 ：引用类型的参数也是栈上的引用，但它们指向的对象存放在堆上。

void Method(MyClass param) // param是栈上的引用，MyClass实例在堆上
{//方法体
}

字段

堆上分配 ：引用类型的字段总是存放在堆上，因为它们是类实例的一部分。

public class MyClass
{public string Name; // 字段Name在堆上
}

数组元素

堆上分配 ：引用类型数组的元素同样是堆上的引用，它们指向的对象也存放在堆上。

MyClass[] objects = new MyClass[10]; // 数组objects在堆上，其元素也在堆上

闭包和异步方法

堆上分配 ：与值类型相同，如果引用类型变量被捕获或用于异步方法中，它们也会被提升到堆上。

3. 静态成员

无论是值类型还是引用类型，静态成员总是存放在堆上的特殊区域，称为“静态字段区”或“类型加载器上下文”。这是因为静态成员属于类本身，而不是任何特定的实例。

public class MyClass
{public static int StaticInt; // 静态字段StaticInt在堆上的静态字段区public static string StaticString; // 静态字段StaticString在堆上的静态字段区
}

4. 常量（Constants）

常量在编译时就被解析并直接嵌入到使用它们的代码中，因此它们不会占用运行时的内存。

public const int MaxValue = 100; // 编译时常量，不占用运行时内存

5. 方法（Method）
方法是代码的一部分，不是数据，因此它们不属于值类型或引用类型。然而，方法可以是值类型或引用类型的成员，并且可以通过这些类型的实例或类型本身来调用。

方法的本质

方法：方法是包含可执行代码的逻辑单元，用于定义对象的行为。它们是类、结构体（struct）、接口等类型成员的一种。
存储位置 ：类中的方法（无论是实例方法还是静态方法）的代码部分并不会为每个实例或每次调用单独分配内存。相反，它们以一种共享的方式存储在内存中。具体来说，方法的代码和元数据存储在一个称为方法表（Method Table）的结构中,方法表是由CLR（Common Language Runtime）维护的，并且位于托管堆（managed heap）的一个特殊区域。
调用：当方法被调用时，一个新的栈帧（Stack Frame）会在调用栈（call stack）上创建。这个栈帧存在于线程的栈空间中。栈帧包含局部变量、方法参数、返回地址以及其他控制信息。对于实例方法，还包括一个指向当前实例的引用（this指针），对于值类型（如struct），当调用实例方法时，实际上是传递了一个副本，而不是直接操作原始值。

实例方法

关联对象 ：实例方法是与特定的对象实例关联的。这意味着它们可以通过对象的引用（对于引用类型）或直接通过值（对于值类型）来调用。

public class MyClass
{public void InstanceMethod() { }
}public struct MyStruct
{public void InstanceMethod() { }
}

this指针 ：实例方法有一个隐式的this指针，它指向当前正在调用该方法的对象实例。对于值类型（如struct），当调用实例方法时，实际上是传递了一个副本，而不是直接操作原始值。

静态方法

独立于对象 ：静态方法不属于任何特定的对象实例，而是属于类型本身。因此，它们可以通过类型名直接调用，而不需要创建类型的实例。

public class MyClass
{public static void StaticMethod() { }
}// 调用静态方法
MyClass.StaticMethod();

无this指针 ：因为静态方法不属于任何实例，所以它们没有this指针，也不能访问非静态成员。

方法与委托

有时候，方法可以通过委托（delegates）来间接地被视为“类型”，但这并不是说方法本身成为了值类型或引用类型。委托实际上是一个引用类型，它可以引用一个或多个方法。

public delegate void MyDelegate();class Program
{static void Main(string[] args){MyDelegate del = new MyDelegate(SomeMethod);del(); // 调用SomeMethod}static void SomeMethod(){Console.WriteLine("Hello, World!");}
}

在这个例子中，MyDelegate 是一个引用类型，它可以引用 SomeMethod。但是请注意，这里引用的是方法的入口点，而不是方法本身成为了一种类型。

总结

值类型 ：
- 局部变量和方法参数通常在栈上分配。
- 类的实例字段、数组元素、闭包和异步方法中的变量则在堆上分配。
引用类型 ：
- 局部变量和方法参数的引用在栈上分配，但它们指向的对象在堆上。
- 字段和数组元素总是在堆上分配。
静态成员 ：
- 无论是值类型还是引用类型，静态成员都在堆上的静态字段区分配。
常量：
- 在编译时解析，不占用运行时内存。

示例

以下示例包含了结构体、方法、属性、字符串、数组、常量、委托以及引用类型对象的初始化，并且在方法内部嵌套这些元素，并给出详细的内存示意图（使用假设的地址来表示内存位置）。

using System;
using System.Collections.Generic;// 定义一个值类型的结构体
public struct StructExample
{public int Value { get; set; }public string Text { get; set; }// 内部方法public void PrintValue(){Console.WriteLine($"Struct Value: {Value}, Text: {Text}");}
}// 定义一个引用类型的类
public class ClassExample
{// 属性public string Name { get; set; }public int[] Numbers { get; set; }// 字符串字段private string _description;// 常量public const int MaxSize = 100;// 构造函数public ClassExample(string description){_description = description;}// 方法public void PrintDescription(){Console.WriteLine(_description);}// 嵌套方法，包含更多元素public void NestedMethod(){// 值类型的局部变量StructExample localStruct = new StructExample { Value = 42, Text = "Local Struct" };localStruct.PrintValue();// 引用类型的局部变量var nestedClass = new ClassExample("Nested Class") { Name = "Nested", Numbers = new int[] { 1, 2, 3 } };nestedClass.PrintDescription();Console.WriteLine($"Nested Class Name: {nestedClass.Name}");// 数组string[] stringArray = new string[] { "One", "Two", "Three" };// 委托Action<string> printString = (message) => Console.WriteLine(message);printString("Hello from delegate");// 修改引用类型的成员nestedClass.Numbers[0] = 100;Console.WriteLine($"Modified Nested Class Number: {nestedClass.Numbers[0]}");}
}// 定义一个委托
public delegate void MyDelegate(string message);class Program
{static void Main(string[] args){// 常量const int GlobalConst = 10;// 值类型的局部变量StructExample globalStruct = new StructExample { Value = 1, Text = "Global Struct" };globalStruct.PrintValue();// 引用类型的局部变量ClassExample globalClass = new ClassExample("Global Class") { Name = "Global", Numbers = new int[] { 5, 6, 7 } };globalClass.PrintDescription();Console.WriteLine($"Global Class Name: {globalClass.Name}");// 数组string[] globalStringArray = new string[] { "First", "Second", "Third" };// 调用方法globalClass.NestedMethod();// 修改引用类型的成员globalClass.Numbers[0] = 200;Console.WriteLine($"Modified Global Class Number: {globalClass.Numbers[0]}");// 使用委托MyDelegate myDelegate = (message) => Console.WriteLine($"MyDelegate: {message}");myDelegate("Invoking delegate in Main");}
}

内存示意图

栈 (Stack)

Program.Main 方法的栈帧：
- GlobalConst -> 10 (直接存储值)
- globalStruct -> 0x1000 (指向栈上的结构体数据)
- globalClass -> 0x2000 (指向堆上的 ClassExample 对象)
- globalStringArray -> 0x3000 (指向堆上的字符串数组)
ClassExample.NestedMethod 方法的栈帧：
- localStruct -> 0x4000 (指向栈上的结构体数据)
- nestedClass -> 0x5000 (指向堆上的 ClassExample 对象)
- stringArray -> 0x6000 (指向堆上的字符串数组)
- printString -> 0x7000 (指向堆上的委托实例)

堆 (Heap)