正文
〇、前言
本文主要围绕 .Net 框架中的托管堆(Heap,简称堆)和堆栈(Stack,简称栈)展开。
.Net 程序在 CLR(Common Language Runtime 公共语言运行时)上运行时,内存被从逻辑上划分为两个主要部分:堆和栈。除了栈和堆之外,CLR 还维护了其他一些内存区域,例如静态存储区域(Static Storage Area)、常量存储区域(Constant Storage Area)等。这些内存区域都有各自的特点和用途,可以帮助我们更好地管理程序内存和资源的使用。
因此,熟知堆和栈的运行机制,对提升系统性能和稳定性至关重要。
一、值类型和引用类型
在介绍主角之前我们先来了解一下值类型和引用类型。
1.1 值类型
先看下都有哪些类型属于值类型:
类别 |
例举 |
整型数值类型 |
sbyte(-128~127)、byte(0~255)、
short(-32768~32767)、ushort(0~65535)、
int(-2147483648~2147483647)、uint(0~2147483647)、
long(-9,233,372,036,854,775,808~9,223,372,036,854,775,807)、ulong(0~18,446,744,073,709,551,615)、
nint(取决于在运行时计算的平台:带符号的 32 位或 64 位整数)、
nuint(取决于在运行时计算的平台:无符号的 32 位或 64 位整数) 复制
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浮点型数值类型 |
float(f/F)(2.77f、2.77F、1_000.000_012f、1_000.000_012F)
double(d/D)(3d、3D、3.000_012)
decimal(m/M)(3_000.5m、400.75M) 复制
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布尔类型 |
bool check = true; 复制
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Unicode UTF-16 字符 |
char(U+0000~U+FFFF)
(三种方法指定 char 值:
1. 字符文本;
2. Unicode 转义序列,它是\u后跟四位字符代码的十六进制表示形式;
3. 十六进制转义序列,它是 \x 后跟字符代码的十六进制表示形式) 复制
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枚举类型 |
enum ErrorCode : ushort
{
None = 0,
Unknown = 1,
ConnectionLost = 100,
OutlierReading = 200
} 复制
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结构类型(structure/struct type) |
public struct Coords
{
public Coords(double x, double y)
{
X = x;
Y = y;
}
public double X { get; }
public double Y { get; }
public override string ToString() => $"({X}, {Y})";
}
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元组类型 |
(double Sum, int Count) t2 = (4.5, 3);
Console.WriteLine($"Sum of {t2.Count} elements is {t2.Sum}.");
(double, int) t = (4.5, 3);
Console.WriteLine(t.ToString());
Console.WriteLine($"Hash code of {t} is {t.GetHashCode()}.");
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1.2 引用类型
再来看下哪些属于引用类型:
类别 |
例举 |
内置引用类型 |
object 对象类型。可以将任何类型的值赋给 object 类型的变量
string 字符串类型。string 类型表示零个或多个 Unicode 字符的序列。定义 == 和 != 是为了比较 string 对象(而不是引用)的值
string a = "hello";
string b = "h";
b += "ello";
Console.WriteLine(a == b);
Console.WriteLine(object.ReferenceEquals(a, b));
string 字符串文本。三种类型:原始、带引号、逐字。
原始字符串,就是至少三个双引号 (""") 括起来,"且自动忽略最左侧的空格:""" This is a text.""";(C# 11 可用)
带引号字符串,就是常用的双引号方式:"This is a text.";
逐字字符串,就是在双引号前加符号 @:@"This is a text."
UTF-8 字符串。 从 C# 11 开始,可以将 u8 后缀添加到字符串字面量以指定 UTF-8 编码。 UTF-8 字面量存储为 ReadOnlySpan<byte> 对象
ReadOnlySpan<byte> AuthWithTrailingSpace = new byte[] { 0x41, 0x55, 0x54, 0x48, 0x20 };
ReadOnlySpan<byte> AuthStringLiteral = "AUTH "u8;
byte[] AuthStringLiteral = "AUTH "u8.ToArray();
委托类型。它有一个返回值和任意数目任意类型的参数,如下示例:
public delegate void MessageDelegate(string message);
public delegate int AnotherDelegate(MyType m, long num);
Action<string> stringAction = str => {};
Action<object> objectAction = obj => {};
Action<string> wrappedObjectAction = new Action<string>(objectAction);
Action<string> combination = stringAction + wrappedObjectAction;
动态类型。dynamic 类型表示变量的使用和对其成员的引用绕过编译时类型检查,改为在运行时解析这些操作。
static void Main(string[] args)
{
dynamic dyn = 1;
object obj = 1;
System.Console.WriteLine(dyn.GetType());
System.Console.WriteLine(obj.GetType());
}
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|
记录 |
public record Person(string FirstName, string LastName);
public static void Main()
{
Person person = new("Nancy", "Davolio");
Console.WriteLine(person);
} 复制
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类 |
class TestClass
{
} 复制
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接口 |
interface ISampleInterface
{
void SampleMethod();
}
class ImplementationClass : ISampleInterface
{
void ISampleInterface.SampleMethod()
{
}
static void Main()
{
ISampleInterface obj = new ImplementationClass();
obj.SampleMethod();
}
} 复制
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1.3 值类型与引用类型的对比
- 值类型变量声明后,不管是否已经赋值,编译器为其分配内存。
- 引用类型当声明一个类时,只在栈中分配一小片内存用于容纳一个地址,而此时并没有为其分配堆上的内存空间。当使用 new 创建一个类的实例时,分配堆上的空间,并把堆上空间的地址保存到栈上分配的小片空间中。
-
- 值类型的实例通常是在线程栈上分配的(静态分配),但是在某些情形下可以存储在堆中。
- 引用类型的对象总是在进程堆中分配(动态分配)。
-
- 值类型的变量直接包含类型的实际值。
- 引用类型包含对类型实例的引用。
-
- 两个不同的变量不能指向同一个值类型的值。
- 两个不同的变量可以指向同一个引用类型的值,只是这两个变量存的内存地址引用相同。
参考:https://learn.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/language-reference/builtin-types/value-types
二、关于堆和栈的理解
2.1 堆和栈的概念
堆(托管堆和非托管堆)
托管堆:
其实在 C 语言中才叫堆,C# 中叫托管堆。托管堆是由 CLR(公共语言运行库 Common Language Runtime)管理,当堆中满了之后,会自动清理堆中的垃圾,因此加了“托管”两字。这也是为什么 .Net 开发不需要关心内存释放的原因。
托管堆是一块动态分配的内存区域,用于存储程序运行时需要的数据。当声明一个引用类型对象或变量时,它们被分配到堆上,并返回其引用(即指向该对象或变量在堆中存储位置的指针)。堆中的对象或变量可以通过其引用来访问和修改。
非托管堆:
.NET的程序还包含了非托管的堆,所有需要分配堆内存的非托管资源将会被分配到非托管堆上。非托管的堆需要程序员用指针手动地分配,并且手动地释放,.NET的垃圾回收和内存管理制度不适用于非托管的堆。
常见的非托管资源有:文件流、图像图形类、数据库的连接,网络连接,系统的窗口句柄,打印机资源等。

栈
栈是一种基于后进先出(Last In First Out,LIFO)原则的内存区域。栈存储几种类型的数据:某些类型变量的值、程序当前的执行环境、传递给方法的参数。当程序调用一个方法时,该方法的参数、返回地址和局部变量等数据会被压入栈中。当方法执行结束时,这些数据会从栈中弹出。
本质上讲堆栈也是一种线性结构,符合线性结构的基本特点:即每个节点有且只有一个前驱节点和一个后续节点。
栈把所有操作限制在“只能在线性结构的某一端”进行,而不能在中间插入或删除元素。把数据放入栈顶称为入栈(push), 从栈顶删除数据称为出栈(pop)。

2.2 堆和栈的关系
内存空间分配
- 堆:开发人员可以根据实际需要进行动态扩展堆的大小,但过多的使用堆,会影响程序性能和稳定性。
- 栈:栈的大小一般比较有限,不能在栈上存储过多的数据,一般用于存放函数的参数值、局部值类型变量的值、引用类型的引用等。
缓存方式
- 堆:存放在二级缓存中,生命周期由垃圾回收算法来决定,并非弃用后立马被回收,所以调用这些对象的速度要相对来得低一些。
- 栈:使用的是一级缓存, 他们通常都是被调用时从栈顶取出,用完即释放。
数据结构
- 堆:堆中一般保存的是实际的数据值,例如引用类型的实例值。
- 栈:栈中一般存储较小体量的值,例如值类型的值、引用类型的引用等。
存取排列方式
- 堆:堆里的内存能够以任意顺序存入和移除。
- 栈:LIFO 后进先出。必须从栈顶进行存取操作。
三、堆栈是如何配合来保证程序的正常运行的?
在.NET中,堆栈(stack)、托管堆(managed heap)、非托管堆(unmanaged heap)和垃圾回收机制配合使用来保证程序的正常运行。以下是它们之间的协同工作方式:
- 堆栈:堆栈用于管理函数调用和局部变量,确保函数的正确执行和返回。每个线程都有一个私有的堆栈,用于存储函数调用的上下文信息。当一个函数被调用时,相关的信息会被压入堆栈;而当函数执行结束后,这些信息会从堆栈中弹出。堆栈的快速分配和释放特性使得函数调用能够高效地进行。
- 托管堆:托管堆是.NET中用于存储托管对象的内存区域,由 CLR(Common Language Runtime)负责管理。所有的托管对象都分配在托管堆上,并由 CLR 自动进行内存管理。当需要创建一个对象时,CLR 会在托管堆上为其分配内存;而当对象不再被引用时,垃圾回收机制会定期清理无用的对象,并回收它们所占用的内存空间,防止内存泄漏和资源浪费。
- 非托管堆:非托管堆是指 .NET 应用程序使用的非托管资源的内存区域,例如通过使用平台调用接口(P/Invoke)调用的外部库或操作系统资源。非托管堆通常由操作系统或外部库分配和管理,而 .NET 应用程序通过与非托管代码进行交互来访问和操作非托管堆。
- 垃圾回收机制:垃圾回收器是 CLR 中的组件,负责管理托管堆中的内存。它会周期性地扫描托管堆,标记并清理不再被引用的对象,并释放其占用的内存空间。垃圾回收机制通过追踪对象之间的引用关系,确定哪些对象可以被安全地回收,以避免内存泄漏和资源浪费。
堆栈管理函数调用和局部变量,托管堆管理托管对象的分配和回收,非托管堆用于存储和管理非托管资源,而垃圾回收机制定期清理无用的对象,释放内存资源。这种机制确保了程序的内存使用效率和稳定性,减轻了开发人员对内存管理的负担,使他们能够更专注于应用程序的逻辑开发。
参考:https://blog.csdn.net/qq_44034384/article/details/106611384 https://qianwen.aliyun.com/chat https://blog.csdn.net/beenles/article/details/130710732