CLR、記憶體管理與資料型別

最近在用 struct 時一直有些疑慮，決定還是將這部分好好弄清楚，所以就整理了這篇筆記，記錄 .NET「通用語言運行庫」（CLR；Common Language Runtime）如何管理和配置記憶體資源，來存取程式運行中用到的實值型別（value types）或參考型別（reference types）變數資料。

.NET 和 CLR

簡單而言，CLR 就是讓 .NET 應用程式可以運作的虛擬機器。

不同 .NET 語言的來源程式碼，被各自的編譯器編譯後，都會編譯成 CIL（通用中間語言）程式碼，儲存在二進制檔案（.exe/.dll）中。當二進制檔案被執行時，CLR 才會將 CIL 即時編譯成適用於該系統環境的機器程式碼；同時 CLR 也管理和作業系統溝通與安全性問題等諸多事項，而記憶體管理就是其中一項。

clr

因為 .NET 程式需要依靠 CLR 來運行，是受 CLR 所管控，所以也將這些稱為受控程式碼（managed code）；但如果是 C/C++ 程式，所有和系統環境的溝通都是由程式碼自己處理，故稱為非受控程式碼（unmanaged code）。

記憶體管理

.NET 程式執行時，CLR 會保留一塊連續的記憶體空間供程式使用（不受其他程式干擾），這個記憶體空間將劃分為多個區域：High Frequency Heap、Stack、GC Heap、Large Object Heap 等，一般 Heap 指 GC Heap 和 Large Object Heap。

High Frequency Heap

存放型別物件（Type object）：含各型別之靜態成員、方法表（Method table；存放靜態方法、虛擬方法、一般方法的指標）等。
程式執行期間一直佔用記憶體空間，不會釋出。

程式載入後，每一次遇到遇到新的靜態成員或方法（或者所屬類別的 instance 第一次建立前），就會配置一個區塊存放此型別物件。這在程式執行期間只會配置這麼一次，之後就一直占用同樣的記憶體位址，直到程式結束才會釋出；當靜態成員或方法多時，會占用比較多的記憶體空間。

Stack（堆疊）

存放區域變數，如果變數為實值型別，其值也存放在 Stack 中，如果變數為參考型別，其指標（Pointer；Heap 記憶體位址）存放在 Stack 中。
變數宣告後開始占用記憶體，離開變數可見範圍完成生命週期後，記憶體空間自動回收。

Stack 是以「後進先出」的陣列結構來存取資料。隨著程式執行緒方向前進，每宣告一個區域變數時，這個變數就會在 Stack 中「堆疊」，而在離開函式變數不再使用後，記憶體空間會自動釋放。所以先宣告的變數的記憶體空間會最後釋放，最後宣告的變數會最先回收（Last In, First Out；LIFO）。儲存在 Stack 的資料其生命週期是可以預測的，不須特意管理記憶體的釋放。

但因為記憶體空間是有限的，程式沒有寫好而造成無限迴圈或無限遞迴時，Stack 空間不足會發生溢位錯誤（StackOverflowException）。

Heap（堆積）- GC Heap & Large Object Heap

存放參考型別變數的值（物件本身）和封箱的（Boxed）實值型別物件等。
當參考型別的物件建立時，開始占用記憶體，直到空間不足時 GC 釋放沒有指標指向的物件。無法預測生命週期。

.NET 中這個區塊由 Garbage Collector（GC；垃圾回收；記憶體回收）來提供自動記憶體管理服務。自動記憶體管理（Automatic Memory Management）可以避免一些常見的問題，例如忘記釋放不再使用的物件而造成記憶體流失（Memory Leak，也就是 Stack 中的變數和指標已經移除了，但 Heap 中變數對應的物件沒有被釋放），或嘗試存取已經被釋放的物件而造成錯誤等。

當第一個參考型別的實例建立（new）時，GC 會依據所需的記憶體大小在 GC Heap 根位址（base address）上開闢一個空間存放物件，接下來下一個物件的存放位置會與上一個相鄰，下一個再與上一個相鄰…，依照這個原則依序存放直到沒有足夠的空間為止。

當 GC 估計記憶體空間不足時，就會將不再使用、沒有指標指向的物件回收，釋放空間，然後將具有指標的物件重新排序壓縮（以複製刪除方式），將可用的空間挪到一起，供後續新增的物件使用。程式中也可以使用 GC.Collect() 建議 GC 進行回收（不代表 GC 會馬上處理），但通常不需要這麼做。

除了 GC Heap 外，另有一個區塊用來存放大型物件（Large Object Heap），在這個區塊中，一樣是由 GC 管控記憶體配置，但是當大型物件回收後，其他的物件不會重新排序，以避免大型物件的搬移降低效能。

當程式建立大型陣列或資料集合，CLR 無法為他們配置足夠的連續記憶體空間時，會產生 OutOfMemoryException 例外狀況。更多可能導致 OutOfMemoryException 的原因可以參考微軟文件。

Stack vs Heap

項目	Stack	Heap
特點	靜態記憶體配置；記憶體配置方式具連續性、可預測	動態記憶體配置；依使用者需求配置記憶體，空間上不需具連續性
結構特性	記憶體陣列；後進先出（LIFO）的資料結構	記憶體區塊，依需求分割儲存各種資料物件，物件存取不存在順序關係
比喻	疊盤子，最後放上去的會最先拿起來	相片牆，照片可任意拿取或重新排列
儲存的資料	實值型別，和參考型別的指標	參考型別的值和封箱的實值型別變數等
記憶體配置速度	快	較慢
可否改變儲存長度	不能	可以
存取性質	不能跨執行緒存取	可跨執行緒存取
何時釋放空間（生命週期）	區域變數離開存取範圍後	沒有指標指向此物件後，由 GC 判斷 Heap 使用需求來規劃清除時機
例外狀況	StackOverflowException	OutOfMemoryException

圖解資料型別與記憶體配置

原則：實值型別的值會與對應的變數或成員名稱存放相同記憶體位置，參考型別的值會存在 Heap 中，儲存其對應變數或成員名稱的地方會有這個值的指標。

以下共用的 struct 和 class 程式碼：

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struct MyStruct
{
    public int Param { get; set; }
    public MyClass InnerClass { get; set; }
}

class MyClass
{
    public int Param { get; set; }
    public MyStruct InnerStruct { get; set; }
}

1. 實值型別（簡單型別）區域變數

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int a;
a = 10;
int b = a;
int c = Add(a, b);

public int Add(int x, int y)
{
    return x + y;
}

valuetype

2. 參考型別（類別）區域變數

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MyClass myclass1 = new MyClass() { Param = 10 };
MyClass myclass2 = myclass1;
BeNull(myclass1);
ModifyClassParamTo50(myclass2);

public void BeNull(MyClass s)
{
    s = null;  //不會影響原本的物件的指標
}

public void ModifyClassParamTo50(MyClass s)
{
    s.Param = 50;
}

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3. 參考型別（字串）區域變數

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string s1 = "ABC";
string s2 = s1;
s2 = "XYZ";
string s3 = StringConcatenate(s1, s2);

public string StringConcatenate(string x, string y)
{
    x += "@@";
    return x + y;
}

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4. Struct 區域變數（含參考型別成員）

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MyStruct mystruct1 = new MyStruct() { Param = 10 };
MyStruct mystruct2 = new MyStruct() { Param = 10 };
Console.WriteLine("4-1. mystruct2.Equals(mystruct1)：" + mystruct2.Equals(mystruct1));   //True

ModifyStructParamTo50(mystruct1);   //作為引數會複製一份資料給方法使用
Console.WriteLine("4-2. mystruct1.Param = " + mystruct1.Param);   //10

MyClass myclass = new MyClass();
mystruct1.InnerClass = myclass;
Console.WriteLine("4-3. mystruct2.Equals(mystruct1)：" + mystruct2.Equals(mystruct1));   //False
mystruct2.InnerClass = myclass;
Console.WriteLine("4-4. mystruct2.Equals(mystruct1)：" + mystruct2.Equals(mystruct1));   //True

ModifyClassParamTo50(mystruct2.InnerClass);
Console.WriteLine("4-5. mystruct1.InnerClass.Param = " + mystruct1.InnerClass.Param);   //50
Console.WriteLine("4-6. mystruct2.Equals(mystruct1)：" + mystruct2.Equals(mystruct1));   //True
Console.WriteLine("4-7. myclass.Equals(mystruct1.InnerClass)：" + myclass.Equals(mystruct1.InnerClass));   //True


public void ModifyStructParamTo50(MyStruct s)
{
    s.Param = 50;  //修改複製來的資料，不影響原本 Struct 的值
}

public void ModifyClassParamTo50(MyClass s)
{
    s.Param = 50;
}

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5. 參考型別區域變數（含 Struct 成員）

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MyClass myClass1 = new MyClass() { Param = 10, InnerStruct = new MyStruct() };
MyClass myClass2 = new MyClass() { Param = 10, InnerStruct = new MyStruct() };
Console.WriteLine("5-1. myClass2.Equals(myClass1)：" + myClass2.Equals(myClass1));   //False

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6. 實值型別封箱 Boxing

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MyStruct myStruct = new MyStruct();
object boxed = myStruct;

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7. 類別陣列

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MyClass[] classArray = new MyClass[] { new MyClass(), new MyClass()};

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8. Struct 陣列

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MyStruct[] structArray = new MyStruct[] { new MyStruct(), new MyStruct()};

valuetype

總結：Struct 使用時機

和 class 比較，其實 struct 的限制頗多，除了作為實值型別需考量其記憶體的使用外，其他還有 struct 只能實作介面，不能繼承或抽象化，所以只有有限的多型性。

歸納其使用的時機如下：

小型資料結構，且具有實值語意（例如座標XY）
類別中希望限定只能唯讀的成員
作為方法引數，但不希望值本身受方法運算結果影響
應盡量避免 Boxing / Unboxing
如果無法確定，就還是用 class