C#夯实基础系列之字符串
??string作为我们在编程当中用的最多的数据类型,同时又由于它的特殊性,怎么强调它的重要性都不为过,理解string的一些类型和存储机制,有助于我们写出正确且高效的代码.
???1.string的类型
???stringObject类型,Object类型是引用类型,因而string类型是引用类型无疑.
?我们借助VS的类视图可以看到这一点:
????
?????这意味着:
????(a).string类型不会在线程的堆栈中存储任何字符串,而是存储在堆上
????(b).未初始时,它被设置为null
????PS:在内部,string是用字符串char的集合来维护的
????2.stringIL描述
??在IL中,构造新实例的IL指令是newobj,是不是string也是这样?
?
??我们使用如下代码:
1classProgram2{3staticvoidMain(string[]args)4{5stringstr="HelloWorld!";6stringstr2="Hello"+"My"+"World!";7Personperson=newPerson();8}9}1011classPerson12{13stringName;14}
我们查看IL代码如下:
???可以看出
????(a).1和3,构造Person对象使用了newobj指令,但是在构造字符串的时候,使用了专门的ldstr(loadstring)指令
???(b).更进一步,编译器将这些字面值字符串放到模块的元数据中,在运行时加载和引用它们
???(c).看2,对于使用+符合将各literal连接起来的写法,编译器在编译的过程中会直接连接他们.
二.string的操作带来的疑问
???OK,通过第1部分,我们知道了,string是引用类型,它存储在堆中.
???我们知道对于引用类型,赋值操作=会传递的是引用,不是值,但构造不同的引用类型时通常它们的引用也不同.如下面这种:
????
1classProgram2{3staticvoidMain(string[]args)4{5//Person实害?例6Personperson1=newPerson("A");7Personperson2=newPerson("A");8Console.WriteLine(object.ReferenceEquals(person1,person2));910//string11stringstr1="HelloWorld!";12stringstr2="HelloWorld!";13stringstr3="Hello"+"World!";14Console.WriteLine(object.ReferenceEquals(str1,str2));15Console.WriteLine(object.ReferenceEqualswww.baiyuewang.net(str1,str3));1617Console.Read();18}19}2021classPerson22{23publicPerson(stringstrName)24{2526}27}
?
??我们先给出运行结果:
???我们知道object.ReferenceEquals是比较两个对象的引用是否一样,对于第1种Person,我们可以理解,因为他们都是构造了不同的对象,引用的存储地址也是不同的.但对于第2种,第3种,string就像成为了值类型一样,返回了True,那么问题来了:
???A.在声明的时候,string存储的是什么?
??B.什么原因使得两个string的引用地址是一样的?
?这就引出了我们要讨论的核心问题:字符串驻留.
三.字符串驻留
???1.string存储的是引用
?????string对象存储的是引用,引用对象存储在堆中,会生成一个对象,同时将这个对象的地址(引用)给堆栈去使用.也就是说两个string引用了堆中同一块对象.
??2.字符串驻留让两个string的引用地址是一样
????在CLR初始化时,会创建一个Hash表,在这个表中,Key是字符串,值是字符串在堆中的地址.当声明一个字符串的时候,会先去这个HashTable中去找是否存在这个Key,如果存在则返回对应的引用,如果不存在则纳入HashTable.如下图所示:??
????
??Step1:当执行语句string?str1="HelloWorld!";时,str1拿到了Add1;
???Step2:当执行语句string?str2="HelloWorld!";时,CLR会去HashTable中去找,找到,返回Add1给str2;
??Step3:现在用object.ReferenceEquals比较str1和str2的引用,因为都是Add1,因而返回True.
??ANTSMemoryProfile来证明,字符串驻留机制是确实存在的.
:
1staticvoidMain(string[]args)2{3Console.ReadLine();//第台?一?次?快ì照?位?置?4stringstr1="HelloWorld!";5stringstr2="HelloWorld!";6Console.ReadLine();//第台?二t次?快ì照?位?置?7}
???加载两次快照,对比差异:
???
????我们可以看到,string的实例进去了,而且整个过程当中,也只有这一个string实例进去了,我们可以进一步看下进去的内容是什么.
????
?????我们在这里发现了”HelloWorld!”,并且只有一个.这也就从内存分析的角度证明了字符串驻留的存在.
????3.驻留字符串的HashTable是不受GC管理,但表达式中存在variable时,则不驻留在HashTable
???????我们实验如下:
1staticvoidMain(string[]args)2{3Console.ReadLine();//第1次快照位置4Test();5GC.Collect();6Console.ReadLine();//第3次快照位置7}89staticvoidTest()10{11stringstr1="HelloWorld!";12stringstr2="HelloWorld!"+str1;13Console.ReadLine();//第2次快照位置14}
????第2次快照,我们可以看到:
?
????
????进去了3,分别是:byteIndex,”HelloWorld!”,”HelloWorld!HelloWorld!”
????
??????第3次快照是在调用了GC.Collect()后再进行的快照,以快照2为对比线,我们查看第3次快照.
?????
??????我们看到,有一个对象被GC回收掉了,具体是什么被回收了?我们再看:
??????
??????现在只剩下byteIndex,”HelloWorld!”两个对象,什么被回收了呢?显然是:”HelloWorld!HelloWorld!”
???这也就证明了我们所说的:驻留字符串的HashTable是不受GC管理,但表达式中存在variable时,则不驻留在HashTable.
???进一步:除非卸载AppDomain或进程终止,否则HashTable引用的string对象不能被释放.
????4.字符串的驻留是基于整个进程的
????AppDomain,在各自的应用程序域中执行BuildString()方法,同时由于应用程序域之间本是不能访问彼此对象的,我们使用"封送(Marshaling)",封送又分为按值分送(主要采用序列化的方式)和按引用封送(如采用.NetRemoting).这里,要实现按引用封送,Test类继承MarshalByRefObject类.
????测试代码
?我们拿到两张快照,在第1张跟第2张快照对比后我们发现:
????
?????我们再具体查看内容(“World”字符串就不截图了):
???
???,我们确信,字符串的驻留是基于整个进程的.
?????5.我们可以通过string.Intern方法来将字符串强制加入HashTable，也可以通过string.IsInterned来判断字符串是否在HashTable中存在。
???在编译时,编译器会处理所有的literal字符串,并嵌入托管模块的元数据中,但如果每次都写入元数据,假设这个字符串在程序中多次出现,那就需要多次写入元数据,这会使生成的文件无限地增大.
????C#编译器,只在元数据中将literal字符串写入一次,将多个实例合并成一个实例,所有引用该字符串的代码都被修改成引用元数据中的同一个字符串,这能显著地减少生成文件的大小.这种特性,我们称之为字符串池.
???string是不可变的,这意味着:
???a.字符串一经创建便不能更改,不能变长、变短或修改其中的任何字符；
??b.每次对于字符串的变更操作，如果是带变量操作，都会在堆上生成新的字符串，并返回新的引用，会造成频繁的GC回收，从而造成性能问题，如果不带变量操作则会采用字符串驻留；
??c.操作和访问字符串不会发生线程同步问题，线程安全；
??d.Stringsealed（密封）的，这是为了保护string的不可变性。
?问题来了，如何实现string的不可变性呢？
???string在内部是用char数组实现的，在char数据中，我们不可以改变数组的引用，但是我们可以直接修改char数组的值，为了实现string的不可变性，string在实现各种方法时，不会触动char数组中的元素。
?参见博客7.
六.StringBuilder:为解决string的性能而生
???通过前面的内容我们可以知道，string容易产生性能问题，StringBuilder可以解决这个问题。
????它的内部使用char[]来进行操作，默认为16，如果超过容量，则在堆中产生一个倍增容易的新char[]数组，复制字符，并开始使用新数组，前一个数组则被GC回收。如果不超过当前容量，是不是会产生一个新的char[]数组的。
????使用ToString()方法也会在堆中产生一个新的对象。
七.总结
?????1.string是引用类型
???2.string使用了字符串池来减少元数据文件的大小
???3.string使用了字符串驻留来提升效率,驻留的字符串采用HashTable来存储,它不受GC管辖,HashTable是基于进程共享的.
???4.string是不可变的,由此带来的性能问题,可以通过StringBuilder来解决.
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