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C# struct灵魂拷问

以下内容灵感来源于一次技术交流，基于CLR运行时。

struct也继承自System.Object，与class的区别到底在哪里？

struct继承自ValueType（所有值类型的基类），class属于引用类型，而值类型与引用类型的本质区别在于前者在拷贝时是按值拷贝，后者拷贝的是地址。其他区别还有：struct对象一般在线程栈上（除非嵌入了引用类型中作为字段），class总是在托管堆上由GC管理；struct对象不可能为null，总是初始化为0（不能自定义无参构造器）；struct不支持继承；等。

struct为什么不能被继承（从语法上和设计上回答）

从语法上来说，struct继承ValueType的时候是隐式密封的，观察相应的IL代码即可发现sealed关键字。 从设计上来说，struct多用于纯数据的集合（也可以有逻辑），内存布局比较简单，没有类型对象指针和同步块索引。因此不能直接支持多态。

struct 可以实现接口吗

可以，系统里很多就是这么做的，比如 System.Int32 实际上CLR中的接口只是对一组方法签名进行了统一命名，这些方法不提供任何实现。

struct 可以自定义无参构造器吗

c#中不可以，会报错CS0568: Struct cannot contain explicit parameterless constructors。但CLR中其实没有这个限制。 如下代码中，CLR为了高效，会直接将内存空间置0，并不会自动调用1000次MyStruct的构造函数。如果c#允许定义无参构造器，那么在这里创建出来的MyStruct对象大概率是不合格的，会让使用者更加困惑。

MyStruct[] foo = new MyStruct[1000];

多说一句，c#有一个设计理念是：类型的默认值不应当依赖于初始化。

struct何时被装箱

其实就是问值类型何时被装箱。

  1. 将值类型对象赋值/转换给一个接口（接口也是引用类型）

  2. 将值类型对象赋值/转换为一个object（转换大多发生在函数参数传递）

  3. 调用Object中的非虚方法GetType()

  4. 调用ValueType或Object中的虚方法（例如ToString()），但自身没有实现ToString()。

其他情形，例如struct作为字典的key，可以归属到上述的4中。下面通过代码解释最难理解的第4种情况，其余三种可以仿效下面的方法自行检验，或者见 .NET 装箱/拆箱机制

public struct MyStruct0
{
    public string Name { get; set; }
    // Call ToString() will call ValueType.ToString(), which has boxing
}
public struct MyStruct1
{
    public string Name { get; set; }
    public override string ToString()
    {
        return base.ToString(); // boxing
    }
}
public struct MyStruct2
{
    public string Name;
    public override string ToString()
    {
        return Name; // no boxing
    }
}

MyStruct0 m0 = new MyStruct0();
MyStruct1 m1 = new MyStruct1();
MyStruct2 m2 = new MyStruct2();
m0.ToString(); // boxing
m1.ToString(); // boxing
m2.ToString(); // no boxing, see ToString() defined in MyStruct2

在调用ToString()方法时，IL代码并无不同，都是constrained.跟着callvirt。callvirt并不代表只有引用类型可以用，值类型也可以，在前面加上constrained.就行。而且callvirt的出现并不意味着装箱。这个IL指令会另起一篇文章详细阐述。

/* (76,13)-(76,27) E:\local\CSharpNetFramework\Program.cs */
/* 0x00000346 1206         */ IL_008A: ldloca.s  m0
/* 0x00000348 FE1603000002 */ IL_008C: constrained. CSharpProj.MyStruct0
/* 0x0000034E 6F1400000A   */ IL_0092: callvirt  instance string [mscorlib]System.Object::ToString()
/* 0x00000353 26           */ IL_0097: pop
/* (77,13)-(77,27) E:\local\CSharpNetFramework\Program.cs */
/* 0x00000354 1207         */ IL_0098: ldloca.s  m1
/* 0x00000356 FE1604000002 */ IL_009A: constrained. CSharpProj.MyStruct1
/* 0x0000035C 6F1400000A   */ IL_00A0: callvirt  instance string [mscorlib]System.Object::ToString()
/* 0x00000361 26           */ IL_00A5: pop
/* (78,13)-(78,27) E:\local\CSharpNetFramework\Program.cs */
/* 0x00000362 1208         */ IL_00A6: ldloca.s  m2
/* 0x00000364 FE1605000002 */ IL_00A8: constrained. CSharpProj.MyStruct2
/* 0x0000036A 6F1400000A   */ IL_00AE: callvirt  instance string [mscorlib]System.Object::ToString()
/* 0x0000036F 26           */ IL_00B3: pop

虽然上面的IL中看不到box，展开进一步的分析。

  • m0没有Override，因此会调用父类ValueType中的方法，为此一定要box的；

  • m1在Override中调用了base.ToString()，因此从IL代码中直接可以看到box这条指令；

  • m2在Override中直接返回一个字符串，因此不需要box；

//m1.ToString()的IL代码
// Token: 0x06000007 RID: 7 RVA: 0x00002074 File Offset: 0x00000274
.method public hidebysig virtual 
    instance string ToString () cil managed 
{
    // Header Size: 12 bytes
    // Code Size: 22 (0x16) bytes
    // LocalVarSig Token: 0x11000001 RID: 1
    .maxstack 1
    .locals init (
        [0] string
    )

    /* (29,9)-(29,10) E:\local\CSharpNetFramework\Program.cs */
    /* 0x00000280 00           */ IL_0000: nop
    /* (30,13)-(30,36) E:\local\CSharpNetFramework\Program.cs */
    /* 0x00000281 02           */ IL_0001: ldarg.0
    /* 0x00000282 7104000002   */ IL_0002: ldobj     CSharpProj.MyStruct1
    /* 0x00000287 8C04000002   */ IL_0007: box       CSharpProj.MyStruct1
    /* 0x0000028C 281100000A   */ IL_000C: call      instance string [mscorlib]System.ValueType::ToString()
    /* 0x00000291 0A           */ IL_0011: stloc.0
    /* 0x00000292 2B00         */ IL_0012: br.s      IL_0014

    /* (31,9)-(31,10) E:\local\CSharpNetFramework\Program.cs */
    /* 0x00000294 06           */ IL_0014: ldloc.0
    /* 0x00000295 2A           */ IL_0015: ret
} // end of method MyStruct1::ToString

//m2.ToString()的IL代码
// Token: 0x06000008 RID: 8 RVA: 0x00002098 File Offset: 0x00000298
.method public hidebysig virtual 
    instance string ToString () cil managed 
{
    // Header Size: 12 bytes
    // Code Size: 12 (0xC) bytes
    // LocalVarSig Token: 0x11000001 RID: 1
    .maxstack 1
    .locals init (
        [0] string
    )

    /* (39,9)-(39,10) E:\local\CSharpNetFramework\Program.cs */
    /* 0x000002A4 00           */ IL_0000: nop
    /* (40,13)-(40,25) E:\local\CSharpNetFramework\Program.cs */
    /* 0x000002A5 02           */ IL_0001: ldarg.0
    /* 0x000002A6 7B03000004   */ IL_0002: ldfld     string CSharpProj.MyStruct2::Name
    /* 0x000002AB 0A           */ IL_0007: stloc.0
    /* 0x000002AC 2B00         */ IL_0008: br.s      IL_000A

    /* (41,9)-(41,10) E:\local\CSharpNetFramework\Program.cs */
    /* 0x000002AE 06           */ IL_000A: ldloc.0
    /* 0x000002AF 2A           */ IL_000B: ret
} // end of method MyStruct2::ToString

同一个struct对象分别经历两次装箱，装箱后的对象地址相同吗

由装箱的过程可知，每次都是在堆内存上新申请一块空间并将值拷贝过去，因此两次装箱的对象地址不可能相同。

两个引用类型的对象默认是怎么比较相同的

通过比较二者的内存地址。参见Object.Equals。

struct作为字典的key产生了装箱后，而且装箱后地址不同，但字典似乎依然正常执行逻辑。它是如何判定key相等的？

既然讨论的是发生了装箱，也就是该struct并没有override自己的Equals，因此装箱后的对象调用的是ValueType.Equals。该方法正确处理了box后的对象的相等性判断，避免了使用Object.Equals带来的问题。具体来说，其过程是：

  • 如果obj为null，直接返回false；

  • 如果二者的类型不同，直接返回false；

  • 尝试进行内存逐bit快速比较；

  • 逐一比较每个字段，调用其对应类型的Equals方法。

ValueType.Equals反编译后的源码如下：

// System.ValueType
/// <summary>Indicates whether this instance and a specified object are equal.</summary>
/// <param name="obj">The object to compare with the current instance. </param>
/// <returns>
///     <see langword="true" /> if <paramref name="obj" /> and this instance are the same type and represent the same value; otherwise, <see langword="false" />. </returns>
// Token: 0x06001570 RID: 5488 RVA: 0x0003EC40 File Offset: 0x0003CE40
[SecuritySafeCritical]
[__DynamicallyInvokable]
public override bool Equals(object obj)
{
    if (obj == null)
    {
        return false;
    }
    RuntimeType runtimeType = (RuntimeType)base.GetType();
    RuntimeType left = (RuntimeType)obj.GetType();
    if (left != runtimeType)
    {
        return false;
    }
    if (ValueType.CanCompareBits(this))
    {
        return ValueType.FastEqualsCheck(this, obj);
    }
    FieldInfo[] fields = runtimeType.GetFields(BindingFlags.Instance | BindingFlags.Public | BindingFlags.NonPublic);
    for (int i = 0; i < fields.Length; i++)
    {
        object obj2 = ((RtFieldInfo)fields[i]).UnsafeGetValue(this);
        object obj3 = ((RtFieldInfo)fields[i]).UnsafeGetValue(obj);
        if (obj2 == null)
        {
            if (obj3 != null)
            {
                return false;
            }
        }
        else if (!obj2.Equals(obj3))
        {
            return false;
        }
    }
    return true;
}

灵魂拷问结束。

如果对.NET CLR没有系统性的了解，看到这些问题可能已经满头大汗。推荐看《CLR via C#》第二部分（尤其第5章），相信阅读后会豁然开朗。

同时极力推荐使用dnSpy作为IL查看工具，在实践中反思书本上的知识有没有过时，亦或是自己的理解有误。例如在观察是否有装箱时，笔者之前有一个不正确的理解：看不到box指令，就没有装箱。因此在分析一个没有实现自己的ToString()的struct对象调用ToString()时，因为没有观察到box，对书本和ECMA335标准上的说法产生了困惑，以为是编译器做了某种神奇优化。正确的理解是：实际会调用到ValueType.ToString()，为此struct一定会装箱。

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