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.Net Discovery 系列之一--string从入门到精通(上)

  string是一种很特殊的数据类型,它既是基元类型又是引用类型,在编译以及运行时,.Net都对它做了一些优化工作,正式这些优化工作有时会迷惑编程人员,使string看起来难以琢磨,这篇文章分上下两章,共四节,来讲讲关于string的陌生一面。
  一.恒定的字符串
  要想比较全面的了解stirng类型,首先要清楚.Net中的值类型与引用类型。在C#中,以下数据类型为值类型:
    bool、byte、char、enum、sbyte以及数字类型(包括可空类型)
  以下数据类型为引用类型:
    class、interface、delegate、object、stirng
  看到了吗,我们要讨论的stirng赫然其中。被声明为string型变量存放于堆中,是一个彻头彻尾的引用类型。
  那么许多同学就会对如下代码产生有疑问了,难道string类型也会“牵一发而动全身”吗?让我们先来看看以下三行代码有何玄机:
    string a = "str_1";
    string b = a;
    a = "str_2";

  不要说无聊,这一点时必须讲清楚的!在以上代码中,第3行的“=”有一个隐藏的秘密:它的作用我们可以理解为新建,而不是对变量“a”的修改。以下是IL代码,可以说明这一点:
      .maxstack  1
      .locals init ([0] string a,
               [1] string b)
      IL_0000:  nop
      IL_0001:  ldstr      "str_1"
      IL_0006:  stloc.0
      IL_0007:  ldloc.0
      IL_0008:  stloc.1
      IL_0009:  ldstr      "str_2"
        IL_000e:  stloc.0  //以上2行对应 C#代码 a = "str_2";
      IL_0015:  ret
  可以看出IL代码的第1、6行,由ldstr指令创建字符串"str_1",并将其关联到了变量“a”中;7、8行直接将堆栈顶部的值弹出并关联到变量“b”中;9、10由ldstr创建字符串"str_2",关联在变量“a”中(并没有像我们想象的那样去修改变量a的旧值,而是产生了新的字符串);
  在C#中,如果用new关键字实例化一个类,对应是由IL指令newobj来完成的;而创建一个字符串,则由ldstr指令完成,看到ldstr指令,我们即可认为,IL希望创建一个新的字符串 。(注意:是IL希望创建一个字符串,而最终是否创建,还要在运行时由字符串的驻留机制决定,这一点下面的章节会有介绍。)
所以,第三行C#代码(a = "str_2";)的样子看起来是在修改变量a的旧值"str_1",但实际上是创建了一个新的字符串"str_2",然后将变量a的指针指向了"str_2"的内存地址,而"str_1"依然在内存中没有受到任何影响,所以变量b的值没有任何改变---这就是string的恒定性,同学们,一定要牢记这一点,在.Net中,string类型的对象一旦创建即不可修改!包括ToUpper、SubString、Trim等操作都会在内存中产生新的字符串。
  本节重点回顾:由于stirng类型的恒定性,让同学友们经常误解,string虽属引用类型但经常表现出值的特性,这是由于不了解string的恒定性造成的,根本不是“值的特性”。例如:
    string a = "str_1";
    a = "str_2";
  这样会在内存中创建"str_1"和"str_2"两个字符串,但只有"str_2"在被使用,"str_1"不会被修改或消失,这样就浪费了内存资源,这也是为什么在做大量字符串操作时,推荐使用StringBuilder的原因。
  二..Net中字符串的驻留(重要)
  在第一节中,我们讲了字符串的恒定性,该特性又为我们引出了字符串的另一个重要特性:字符串驻留。
  从某些方面讲,正是字符串的恒定性,才造就了字符串的驻留机制,也为字符串的线程同步工作大开方便之门(同一个字符串对象可以在不同的应用程序域中被访问,所以驻留的字符串是进程级的,垃圾回收不能释放这些字符串对象,只有进程结束这些对象才被释放)。
  我们用以下2行代码来说明字符串的驻留现象:
    string a = "str_1";
    string b = "str_1";
  请各位同学友思考一下,这2行代码会在内存中产生了几个string对象?你可能会认为产生2个:由于声明了2个变量,程序第1行会在内存中产生"str_1"供变量a所引用;第2行会产生新的字符串"str_1"供变量b所引用,然而真的是这样吗?我们用ReferenceEquals这个方法来看一下变量a与b的内存引用地址:
    string a = "str_1";
    string b = "str_1";
    Response.Write(ReferenceEquals(a,b));   //比较a与b是否来自同一内存引用
    输出:True
  哈,各位同学看到了吗,我们用ReferenceEquals方法比较a与b,虽然我们声明了2个变量,但它们竟然来自同一内存地址!这说明string b = "str_1";根本没有在内存中产生新的字符串。
  这是因为,在.Net中处理字符串时,有一个很重要的机制,叫做字符串驻留机制。由于string是编程中用到的频率较高的一种类型,CLR对相同的字符串,只分配一次内存。CLR内部维护着一块特殊的数据结构,我们叫它字符串池,可以把它理解成是一个HashTable,这个HashTable维护着程序中用到的一部分字符串,HashTable的Key是字符串的值,而Value则是字符串的内存地址。一般情况下,程序中如果创建一个string类型的变量,CLR会首先在HashTable遍历具有相同Hash Code的字符串,如果找到,则直接把该字符串的地址返回给相应的变量,如果没有才会在内存中新建一个字符串对象。
  所以,这2行代码只在内存中产生了1个string对象,变量b与a共享了内存中的"str_1"。
  好了,结合第一节所讲到的字符串恒定性与第二节所讲到的驻留机制,来理解一下下面4行代码吧:
    string a = "str_1"; //声明变量a,将变量a的指针指向内存中新产生的"str_1"的地址
    a = "str_2";  //CLR先会在字符串池中遍历"str_2"是否已存在,如果没有,则新建"str_2",并修改变量a的指针,指向"str_2"内存地址,"str_1"保持不变。(字符串恒定)
    string c = "str_2"; //CLR先会在字符串池中遍历"str_2"是否已存在,如果存在,则直接将变量c的指针指向"str_2"的地址。(字符串驻留)

  那么如果是动态创建字符串呢?字符串还会不会有驻留现象呢?
  我们分3种情况讲解动态创建字符串时,驻留机制的表现:

  字符串常量连接
    string a = “str_1” + “str_2”;
    string b = “str_1str_2”;
    Response.Write(ReferenceEquals(a,b));   //比较a与b是否来自同一内存引用
    输出 :True
  IL代码说明问题:
    .maxstack  1
    .locals init ([0] string a,
               [1] string b)
    IL_0000:  nop
    IL_0001:  ldstr      “str_1str_2”
    IL_0006:  stloc.0
    IL_0007:  ldstr      “str_1str_2”
    IL_000c:  stloc.1
    IL_000d:  ret
  其中第1、6行对应c#代码string a = “str_1” + “str_2”;
  第7、8对应c# string b = “str_1str_2”;
  可以看出,字符串常量连接时,程序在被编译为IL代码前,编译器已经计算出了字符串常量连接的结果,ldstr指令直接处理编译器计算后的字符串值,所以这种情况字符串驻留机制有效!
  字符串变量连接
    string a = “str_1”;
    string b = a + “str_2”;
    string c = “str_1str_2”;
    Response.Write(ReferenceEquals(b,c));
    输出:False

  IL代码说明问题:
      .maxstack  2
      .locals init ([0] string a,
               [1] string b,
               [2] string c)
     IL_0000:  nop
      IL_0001:  ldstr      “str_1”
      IL_0006:  stloc.0
      IL_0007:  ldloc.0
      IL_0008:  ldstr      “str_2”
      IL_000d:  call       string [mscorlib]System.String::Concat(string,
                                                                  string)
      IL_0012:  stloc.1
      IL_0013:  ldstr      “str_1str_2”
      IL_0018:  stloc.2
      IL_0019:  ret

  其中第1、6行对应string a = “str_1”;
  第7、8、9行对应string b = a + “str_2”;,IL用的是Concat方法连接字符串
  第13、18行对应string c = “str_1str_2”;
  可以看出,字符串变量连接时,IL使用Concat方法,在运行时生成最终的连接结  果,所以这种情况字符串驻留机制无效!
  3.显式实例化

    string a = "a";
    string b = new string('a',1);
    Response.Write(ReferenceEquals(a, b));

    输出 False

  IL代码:
      .maxstack  3
      .locals init ([0] string a,
               [1] string b)
      IL_0000:  nop
      IL_0001:  ldstr      "a"
      IL_0006:  stloc.0
      IL_0007:  ldc.i4.s   97
      IL_0009:  ldc.i4.1
      IL_000a:  newobj     instance void [mscorlib]System.String::.ctor              (char,
                                                                    int32)
      IL_000f:  stloc.1
      IL_0010:  ret

  这种情况比较好理解,IL使用newobj来实例化一个字符串对象,驻留机制无效。从string b = new string('a',1);这行代码我们可以看出,其实string类型实际上是由char[]实现的,一个string的诞生绝不像我们想想的那样简单,要由栈、堆同时配合,才会有一个string的诞生。这一点在第四节会有介绍。
  当然,当字符串驻留机制无效时,我们可以很简便的使用string.Intern方法将其手动驻留至字符串池中,例如以下代码:
    string a = "a";
    string b = new string('a',1);    
    Response.Write(ReferenceEquals(a, string.Intern(b)));

    输出:True  

  程序返回Ture,说明变量"a"与"b"来自同一内存地址。

  好了,下面两节将通过实例为大家展示string的内部秘密,大家可以通过它测试一下自己对string的了解程度,敬请期待!

   我是李鸣(Aicken) 请您继续关注我的下一篇文章。

posted on 2009-02-04 13:10 Aicken(李鸣) 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏