字符串的驻留（String Interning）

关于字符串的驻留的机制，对于那些了解它的人肯定会认为很简单，但是我相信会有很大一部分人对它存在迷惑。在开始关于字符串的驻留之前，先给出一个有趣的Sample：

Code Snip：

static void Main(string[] args)
        {
            string str1 = "ABCD1234";
            string str2 = "ABCD1234";
            string str3 = "ABCD";
            string str4 = "1234";
            string str5 = "ABCD" + "1234";
            string str6 = "ABCD" + str4;
            string str7 = str3 + str4;

            Console.WriteLine("string str1 = \"ABCD1234\";");
            Console.WriteLine("string str2 = \"ABCD1234\";");
            Console.WriteLine("string str3 = \"ABCD\";");
            Console.WriteLine("string str4 = \"1234\";");
            Console.WriteLine("string str5 = \"ABCD\" + \"1234\";");
            Console.WriteLine("string str6 = \"ABCD\" + str4;");
            Console.WriteLine("string str7 = str3 + str4;");

            Console.WriteLine("\nobject.ReferenceEquals(str1, str2) = {0}", object.ReferenceEquals(str1, str2));
            Console.WriteLine("object.ReferenceEquals(str1,  \"ABCD1234\") = {0}", object.ReferenceEquals(str1, "ABCD1234"));

            Console.WriteLine("\nobject.ReferenceEquals(str1, str5) = {0}", object.ReferenceEquals(str1, str5));
            Console.WriteLine("object.ReferenceEquals(str1, str6) = {0}", object.ReferenceEquals(str1, str6));
            Console.WriteLine("object.ReferenceEquals(str1, str7) = {0}", object.ReferenceEquals(str1, str7));

            Console.WriteLine("\nobject.ReferenceEquals(str1, string.Intern(str6)) = {0}", object.ReferenceEquals(str1, string.Intern(str6)));
            Console.WriteLine("object.ReferenceEquals(str1, string.Intern(str7)) = {0}", object.ReferenceEquals(str1, string.Intern(str7)));
        }

下边是输出的结果：

接下来我们来逐句地分析这段代码：

首先我们创建了两个完全相同的字符串（ABCD1234），并将他们分别赋予了两个字符创变量——str1和str2。然后把它们传给了object.ReferenceEquals。我们知道object.ReferenceEquals是用于确定两个变量是否具有相同的引用——换句话说，当两个变量引用的是同一块托管推的内存快的时候，返回True，否则返回False。

string str1 = "ABCD1234";
string str2 = "ABCD1234";
object.ReferenceEquals(str1, str2)= True；
object.ReferenceEquals(str1, "ABCD1234")) = True;

令我们感到奇怪的是，当我们分别创建的引用类型两个变量——string是引用类型。照理说CLR会在托管堆（Managed Heap）中为它们分配两段内存快，他们不可能具有相同的引用才对，但是为什么object.ReferenceEquals 方法会返回True呢。而对于第二个比较——一个字符串变量和一个和他具有相同内容的字符串（"ABCD1234";）直接进行比较，按照我们对CLR内存的分配的一般理解，应该是CLR首先会在托管堆中为这段字符串（"ABCD1234"）分配内存快，然后把相对应的引用传递给object.ReferenceEquals方法（由于分配在托管堆的这段字符串并没有被任何变量引用，所以当垃圾回收的时候会被回收掉），所以无论如何也不应该返回True。 

我们先把问题留到最后，接着分析我们的Sample。上面们对字符串变量之间以及变量与字符串之间进行了比较，如果我们对一个字符串变量和一个动态创建的字符串（通过+Operator把两个字符串连接起来）进行比较，结果又会如何呢？我们来看看下面的伪代码演示： 

string str3 = "ABCD";
string str4 = "1234";
string str5 = "ABCD" + "1234"; 
string str6 = "ABCD" + str4;
string str7 = str3 + str4;
object.ReferenceEquals(str1, str5) = True
object.ReferenceEquals(str1, str6) = False
object.ReferenceEquals(str1, str7)) = False

在上面的例子中，我们用三种不同的方式创建了3个字符串变量（str5，str6，str7）——string+string；string+variable；variable+variable。然后分别和我们已经创建的、和它们具有相同字符串“值”的变量（str1）作比较。同样令我们感到奇怪的是第一个返回True，而后两个则为False。带着这些疑惑我们来看看对于string这一特殊的类型说采用的特殊的使用机制。 

1． System.String虽然是一个引用类型，但是它具有其自身的特殊性。我们最容易想到的是它创建的特殊性——一般的对象在创建的时候需要通过new关键字调用对应的构造函数来实现；而创建一段string不需要这么做——我们只需要把对应的字符换赋给给对应的字符串变量就可以了。之所以存在着这种差异，是因为他们在创建过程中使用的IL指令时不同的——一般的引用对象的创建是通过newobj这样一个IL指令来实现的，而创建一个字符串变量的IL指令则是ldstr （load string）。（象C#，VB.NET这样的语言毕竟是高级语言，进行了高度的抽象，站在这样的角度分析问题往往不能够看到其实质，所以有时候我们把应该从交底层上面找突破口——比如分析IL，Metadata…）;

2． 由于String是我们做到频率最高的一种类型，CLR考虑性能的提升和内存节约上，对于相同的字符串，一般不会为他们分别分配内存块，相反地，他们会共享一块内存。CLR实际上采用这个的机制来实现的：CLR内部维护着一块特殊的数据结构——我们可以把它看成是一个Hash table，这个Hash table维护者大部分创建的string（我这里没有说全部，因为有特例）。这个Hash table的Key对应的相应的string本身，而Value则是分配给这个string的内存块的引用。当CLR初始化的时候创建这个Hash table。一般地，在程序运行过程中，如果需要的创建一个string，CLR会根据这个string的Hash Code试着在Hash table中找这个相同的string，如果找到，则直接把找到的string的地址赋给相应的变量，如果没有则在托管堆中创建一个string，CLR会先在managed heap中创建该strng，并在Hash table中创建一个Key-Value Pair——Key为这个string本身，Value位这个新创建的string的内存地址，这个地址最重被赋给响应的变量。这样我们就能解释上面的疑问了。 

string str1 = "ABCD1234";
string str2 = "ABCD1234";
object.ReferenceEquals(str1, str2)= True；
object.ReferenceEquals(str1, "ABCD1234")) = True;

当创建str1的时候，CLR现在我们上面提到的Hash table中找“ABCD1234”这样的一个string，没有找到，则在托管堆中为这个string分配一块内存，然后在Hash table为该string添加一个Key-Value Pair。接着创建str2，CLR仍然会在Hash table找ABCD1234这样的一个string，这回它会找到我们新创建的这个Entry，所以这个Key-Value Pair中Value（string的地址）会赋给str2。因为str1和str2 具有相同的引用，所以调用object.ReferenceEquals返回True。同理当我们对str1和"ABCD1234"进行比较的时候，str1直接传入该方法，放传入"ABCD1234"这个字符串的时候，CLR同样会在Hash table找ABCD1234这样的一个string，相同的Entry被找到，这个Entry（Key-Value Pair）的Value（string的地址）被传到object.ReferenceEquals，所以他们仍然相同的引用，结果返回True。 

3． 并非所有的情况下字符串的驻留都会起作用。对于对一个动态创建的字符串（比如string+variable；variable+variable），这种驻留机制便不会起作用。因为对于这样的字符串，是不会被添加到内部的Hash table中的。但是对于string+string则不同，因为当这样的语句被编译成IL的时候，编译器是先把结构计算出来，然后再调用ldstr指令——而对于string+variable；variable+variable这种情况，所对应的IL指令是Concat。所以对于string+string字符串的驻留仍然有效。

比如对于以下一段代码：

  static void Main(string[] args)
        {
            string str1 = "ABC";
            string str2 = str1 + "123";
            string str3 = "ABC" + "123";
}

对应的IL Code是：

.method private hidebysig static void  Main(string[] args) cil managed
{
  .entrypoint
  // Code size       26 (0x1a)
  .maxstack  2
  .locals init ([0] string str1,
           [1] string str2,
           [2] string str3)
  IL_0000:  nop
  IL_0001:  ldstr      "ABC"
  IL_0006:  stloc.0
  IL_0007:  ldloc.0
  IL_0008:  ldstr      "123"
  IL_000d:  call       string [mscorlib]System.String::Concat(string,
                                                              string)
  IL_0012:  stloc.1
  IL_0013:  ldstr      "ABC123"
  IL_0018:  stloc.2
  IL_0019:  ret
} // end of method Program::Main

所以现在我们就可以解释第二个疑问了。

虽然对于对一个动态创建的字符串（比如string+variable；variable+variable），驻留机制便不会起作用。但是我们可以手工的启用驻留机制——那就是调用定义的System.String中的静态方法Intern。这个方法接受一个字符串作为他的输入参数，返回的经过驻留处理的string。他的实现机制是：如果能在内部的Hash Table中找到传入的string，则返回对应的string引用，否则就在Hash Table添加该string对应的Entry，并返回string的引用。所以下面的代码就不难解释了。

            Console.WriteLine("\nobject.ReferenceEquals(str1, string.Intern(str6)) = {0}", object.ReferenceEquals(str1, string.Intern(str6)));
            Console.WriteLine("object.ReferenceEquals(str1, string.Intern(str7)) = {0}", object.ReferenceEquals(str1, string.Intern(str7)));

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