從概念上看，值類(lèi)型直接存儲(chǔ)其值，而引用類(lèi)型存儲(chǔ)對(duì)其值的引用。這兩種類(lèi)型存儲(chǔ)在內(nèi)存的不同地方。在C#中，我們必須在設(shè)計(jì)類(lèi)型的時(shí)候就決定類(lèi)型實(shí)例的行為。這種決定非常重要，用《CLR via C#》作者Jeffrey Richter的話來(lái) 說(shuō)，“不理解引用類(lèi)型和值類(lèi)型區(qū)別的程序員將會(huì)給代碼引入詭異的bug和性能問(wèn)題（I believe that a developer who misunderstands the difference between reference types and value types will introduce subtle bugs and performance issues into their code.）”。這就要求我們正確理解和使用值類(lèi)型和引用類(lèi)型。

1. 通用類(lèi)型系統(tǒng)

C#中，變量是值還是引用僅取決于其數(shù)據(jù)類(lèi)型。
C#的基本數(shù)據(jù)類(lèi)型都以平臺(tái)無(wú)關(guān)的方式來(lái)定義。C#的預(yù)定義類(lèi)型并沒(méi)有內(nèi)置于語(yǔ)言中，而是內(nèi)置于.NET Framework中。.NET使用通用類(lèi)型系統(tǒng)（CTS）定義了可以在中間語(yǔ)言（IL）中使用的預(yù)定義數(shù)據(jù)類(lèi)型，所有面向.NET的語(yǔ)言都最終被編譯為 IL，即編譯為基于CTS類(lèi)型的代碼。

例如，在C#中聲明一個(gè)int變量時(shí)，聲明的實(shí)際上是CTS中System.Int32的一個(gè)實(shí)例。這具有重要的意義：
確保IL上的強(qiáng)制類(lèi)型安全；
實(shí)現(xiàn)了不同.NET語(yǔ)言的互操作性；
所有的數(shù)據(jù)類(lèi)型都是對(duì)象。它們可以有方法，屬性，等。例如：
int i;
i = 1;
string s;
s = i.ToString();

MSDN的這張圖說(shuō)明了CTS中各個(gè)類(lèi)型是如何相關(guān)的。注意，類(lèi)型的實(shí)例可以只是值類(lèi)型或自描述類(lèi)型，即使這些類(lèi)型有子類(lèi)別也是如此。

2. 值類(lèi)型

C#的所有值類(lèi)型均隱式派生自System.ValueType：
結(jié)構(gòu)體：struct（直接派生于System.ValueType）；

數(shù)值類(lèi)型：
整 型：sbyte（System.SByte的別名），short（System.Int16），int（System.Int32），long （System.Int64），byte（System.Byte），ushort（System.UInt16），uint （System.UInt32），ulong（System.UInt64），char（System.Char）；
浮點(diǎn)型：float（System.Single），double（System.Double）；
用于財(cái)務(wù)計(jì)算的高精度decimal型：decimal（System.Decimal）。
bool型：bool（System.Boolean的別名）；
用戶(hù)定義的結(jié)構(gòu)體（派生于System.ValueType）。
枚舉：enum（派生于System.Enum）；
可空類(lèi)型（派生于System.Nullable<T>泛型結(jié)構(gòu)體，T?實(shí)際上是System.Nullable<T>的別名）。

每種值類(lèi)型均有一個(gè)隱式的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)來(lái)初始化該類(lèi)型的默認(rèn)值。例如：
int i = new int();

等價(jià)于：
Int32 i = new Int32();

等價(jià)于：
int i = 0;

等價(jià)于：
Int32 i = 0;

使用new運(yùn)算符時(shí)，將調(diào)用特定類(lèi)型的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)并對(duì)變量賦以默認(rèn)值。在上例中，默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)將值0賦給了i。MSDN上有完整的默認(rèn)值表。

關(guān)于int和Int32的細(xì)節(jié)，在我的另一篇文章中有詳細(xì)解釋?zhuān)骸独斫釩#中的System.Int32和int》。

所有的值類(lèi)型都是密封（seal）的，所以無(wú)法派生出新的值類(lèi)型。

值得注意的是，System.ValueType直接派生于System.Object。即System.ValueType本身是一個(gè)類(lèi)類(lèi)型，而 不是值類(lèi)型。其關(guān)鍵在于ValueType重寫(xiě)了Equals()方法，從而對(duì)值類(lèi)型按照實(shí)例的值來(lái)比較，而不是引用地址來(lái)比較。

可以用Type.IsValueType屬性來(lái)判斷一個(gè)類(lèi)型是否為值類(lèi)型：

3. 引用類(lèi)型

C#有以下一些引用類(lèi)型：
數(shù)組（派生于System.Array）
用戶(hù)用定義的以下類(lèi)型：
類(lèi)：class（派生于System.Object）；
接口：interface（接口不是一個(gè)“東西”，所以不存在派生于何處的問(wèn)題。Anders在《C# Programming Language》中說(shuō)，接口只是表示一種約定[contract]）；
委托：delegate（派生于System.Delegate）。
object（System.Object的別名）；
字符串：string（System.String的別名）。

可以看出：
引用類(lèi)型與值類(lèi)型相同的是，結(jié)構(gòu)體也可以實(shí)現(xiàn)接口；
引用類(lèi)型可以派生出新的類(lèi)型，而值類(lèi)型不能；
引用類(lèi)型可以包含null值，值類(lèi)型不能（可空類(lèi)型功能允許將 null 賦給值類(lèi)型）；
引用類(lèi)型變量的賦值只復(fù)制對(duì)對(duì)象的引用，而不復(fù)制對(duì)象本身。而將一個(gè)值類(lèi)型變量賦給另一個(gè)值類(lèi)型變量時(shí)，將復(fù)制包含的值。

對(duì)于最后一條，經(jīng)?；煜氖莝tring。我曾經(jīng)在一本書(shū)的一個(gè)早期版本上看到String變量比string變量效率高；我還經(jīng)常聽(tīng)說(shuō)String是引用類(lèi)型，string是值類(lèi)型，等等。例如：
string s1 = "Hello, ";
string s2 = "world!";
string s3 = s1 + s2;//s3 is "Hello, world!"

這確實(shí)看起來(lái)像一個(gè)值類(lèi)型的賦值。再如：
string s1 = "a";
string s2 = s1;
s1 = "b";//s2 is still "a"

改變s1的值對(duì)s2沒(méi)有影響。這更使string看起來(lái)像值類(lèi)型。實(shí)際上，這是運(yùn)算符重載的結(jié)果，當(dāng)s1被改變時(shí)，.NET在托管堆上為s1重新分配了內(nèi)存。這樣的目的，是為了將做為引用類(lèi)型的string實(shí)現(xiàn)為通常語(yǔ)義下的字符串。

4. 值類(lèi)型和引用類(lèi)型在內(nèi)存中的部署

經(jīng)常聽(tīng)說(shuō)，并且經(jīng)常在書(shū)上看到：值類(lèi)型部署在棧上，引用類(lèi)型部署在托管堆上。實(shí)際上并沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。

MSDN上說(shuō)：托管堆上部署了所有引用類(lèi)型。這很容易理解。當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)用類(lèi)型變量時(shí)：
object reference = new object();

關(guān)鍵字new將在托管堆上分配內(nèi)存空間，并返回一個(gè)該內(nèi)存空間的地址。左邊的reference位于棧上，是一個(gè)引用，存儲(chǔ)著一個(gè)內(nèi)存地址；而這個(gè) 地址指向的內(nèi)存（位于托管堆）里存儲(chǔ)著其內(nèi)容（一個(gè)System.Object的實(shí)例）。下面為了方便，簡(jiǎn)稱(chēng)引用類(lèi)型部署在托管推上。

再來(lái)看值類(lèi)型。《C#語(yǔ)言規(guī)范》 上的措辭是“結(jié)構(gòu)體不要求在堆上分配內(nèi)存（However, unlike classes, structs are value types and do not require heap allocation）”而不是“結(jié)構(gòu)體在棧上分配內(nèi)存”。這不免容易讓人感到困惑：值類(lèi)型究竟部署在什么地方？
4.1 數(shù)組

考慮數(shù)組：
int[] reference = new int[100];

根據(jù)定義，數(shù)組都是引用類(lèi)型，所以int數(shù)組當(dāng)然是引用類(lèi)型（即reference.GetType().IsValueType為false）。

而int數(shù)組的元素都是int，根據(jù)定義，int是值類(lèi)型（即reference[i].GetType().IsValueType為true）。那么引用類(lèi)型數(shù)組中的值類(lèi)型元素究竟位于棧還是堆？

如果用WinDbg去看reference[i]在內(nèi)存中的具體位置，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們并不在棧上，而是在托管堆上。

實(shí)際上，對(duì)于數(shù)組：
TestType[] testTypes = new TestType[100];

如果TestType是值類(lèi)型，則會(huì)一次在托管堆上為100個(gè)值類(lèi)型的元素分配存儲(chǔ)空間，并自動(dòng)初始化這100個(gè)元素，將這100個(gè)元素存儲(chǔ)到這塊內(nèi)存里。

如果TestType是引用類(lèi)型，則會(huì)先在托管堆為testTypes分配一次空間，并且這時(shí)不會(huì)自動(dòng)初始化任何元素（即testTypes[i]均為null）。等到以后有代碼初始化某個(gè)元素的時(shí)候，這個(gè)引用類(lèi)型元素的存儲(chǔ)空間才會(huì)被分配在托管堆上。

4.2 類(lèi)型嵌套

更容易讓人困惑的是引用類(lèi)型包含值類(lèi)型，以及值類(lèi)型包含引用類(lèi)型的情況：

單看valueTypeStructInstance，這是一個(gè)結(jié)構(gòu)體實(shí)例，感覺(jué)似乎是整塊扔到棧上的。但是字段_referenceTypeField是引用類(lèi)型，局部變量referenceTypeLocalVarible也是引用類(lèi)型。

referenceTypeClassInstance也有同樣的問(wèn)題，referenceTypeClassInstance本身是引用類(lèi)型，似 乎應(yīng)該整塊部署在托管堆上。但字段_valueTypeField是值類(lèi)型，局部變量valueTypeLocalVariable也是值類(lèi)型，它們究竟 是在棧上還是在托管堆上？

規(guī)律是：
引用類(lèi)型部署在托管堆上；
值類(lèi)型總是分配在它聲明的地方：作為字段時(shí)，跟隨其所屬的變量（實(shí)例）存儲(chǔ)；作為局部變量時(shí)，存儲(chǔ)在棧上。

我們來(lái)分析一下上面的代碼。對(duì)于引用類(lèi)型實(shí)例，即referenceTypeClassInstance：
從上下文看，referenceTypeClassInstance是一個(gè)局部變量，所以部署在托管堆上，并被棧上的一個(gè)引用所持有；
值類(lèi)型字段_valueTypeField屬于引用類(lèi)型實(shí)例referenceTypeClassInstance的一部分，所以跟隨引用類(lèi)型實(shí)例referenceTypeClassInstance部署在托管堆上（有點(diǎn)類(lèi)似于數(shù)組的情形）；
valueTypeLocalVariable是值類(lèi)型局部變量，所以部署在棧上。

而對(duì)于值類(lèi)型實(shí)例，即valueTypeStruct：
根據(jù)上下文，值類(lèi)型實(shí)例valueTypeStructInstance本身是一個(gè)局部變量而不是字段，所以位于棧上；
其引用類(lèi)型字段_referenceTypeField不存在跟隨的問(wèn)題，必然部署在托管堆上，并被一個(gè)引用所持有（該引用是valueTypeStruct的一部分，位于棧）；
其引用類(lèi)型局部變量referenceTypeLocalVariable顯然部署在托管堆上，并被一個(gè)位于棧的引用所持有。

所以，簡(jiǎn)單地說(shuō)“值類(lèi)型存儲(chǔ)在棧上，引用類(lèi)型存儲(chǔ)在托管堆上”是不對(duì)的。必須具體情況具體分析。

5. 正確使用值類(lèi)型和引用類(lèi)型

這一部分主要參考《Effective C#》，并非本人原創(chuàng)，希望能讓你加深對(duì)值類(lèi)型和引用類(lèi)型的理解。
5.1 辨明值類(lèi)型和引用類(lèi)型的使用場(chǎng)合

C#中，我們用struct/class來(lái)聲明一個(gè)類(lèi)型為值類(lèi)型/引用類(lèi)型。

考慮下面的例子：
TestType[] testTypes = new TestType[100];

如果TestTye是值類(lèi)型，則只需要一次分配，大小為T(mén)estTye的100倍。而如果TestTye是引用類(lèi)型，剛開(kāi)始需要100次分配，分配 后數(shù)組的各元素值為null，然后再初始化100個(gè)元素，結(jié)果總共需要進(jìn)行101次分配。這將消耗更多的時(shí)間，造成更多的內(nèi)存碎片。所以，如果類(lèi)型的職責(zé) 主要是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，值類(lèi)型比較合適。

一般來(lái)說(shuō)，值類(lèi)型（不支持多態(tài)）適合存儲(chǔ)供 C#應(yīng)用程序操作的數(shù)據(jù)，而引用類(lèi)型（支持多態(tài)）應(yīng)該用于定義應(yīng)用程序的行為。

通常我們創(chuàng)建的引用類(lèi)型總是多于值類(lèi)型。如果以下問(wèn)題的回答都為yes，那么我們就應(yīng)該創(chuàng)建為值類(lèi)型：
該類(lèi)型的主要職責(zé)是否用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)？
該類(lèi)型的共有借口是否完全由一些數(shù)據(jù)成員存取屬性定義？
是否確信該類(lèi)型永遠(yuǎn)不可能有子類(lèi)？
是否確信該類(lèi)型永遠(yuǎn)不可能具有多態(tài)行為？

5.2 將值類(lèi)型盡可能實(shí)現(xiàn)為具有常量性和原子性的類(lèi)型

具有常量性的類(lèi)型很簡(jiǎn)單：
如果構(gòu)造的時(shí)候驗(yàn)證了參數(shù)的有效性，之后就一直有效；
省去了許多錯(cuò)誤檢查，因?yàn)榻垢模?
確保線程安全，因?yàn)槎鄠€(gè)reader訪問(wèn)到同樣的內(nèi)容；
可以安全地暴露給外界，因?yàn)檎{(diào)用者不能更改對(duì)象的內(nèi)部狀態(tài)。

具有原子性的類(lèi)型都是單一的實(shí)體，我們通常會(huì)直接替換一個(gè)原子類(lèi)型的整個(gè)內(nèi)容。

下面是一個(gè)典型的可變類(lèi)型：

下面創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例：
Address address = new Address();
address.City = "Chengdu";
address.Province = "Sichuan";
address.ZipCode = 610000;

然后更改這個(gè)實(shí)例：
address.City = "Nanjing"; //Now Province and ZipCode are invalid
address.ZipCode = 210000; //Now Province is still invalid
address.Province = "Jiangsu";

可見(jiàn)，內(nèi)部狀態(tài)的改變意味著可能違反對(duì)象的不變式（invariant），至少是臨時(shí)的違反。如果上面是一個(gè)多線程的程序，那么在 City更改的過(guò)程中，另一個(gè)線程可能看到不一致的數(shù)據(jù)視圖。如果不是多線程的程序，也有問(wèn)題：
當(dāng)ZipCode的值無(wú)效而拋出異常時(shí)，對(duì)象僅作了一部分改變，因此處于無(wú)效的狀態(tài)，為了修復(fù)這個(gè)問(wèn)題，需要在Address中添加相當(dāng)多的內(nèi)部校驗(yàn)代碼；
為了實(shí)現(xiàn)異常安全，我們需要在所有改變多個(gè)字段的客戶(hù)代碼處放上防御性的代碼；
線程安全也要求我們?cè)诿恳粋€(gè)屬性的訪問(wèn)器上添加線程同步檢查。

顯然，這是一個(gè)相當(dāng)可觀的工作量。下面我們把Address實(shí)現(xiàn)為常量類(lèi)型：

如果要改變Address，不能修改現(xiàn)有的實(shí)例，只能創(chuàng)建一個(gè)新的實(shí)例：
Address address = new Address("Chengdu", "Sichuan", 610000);//create a instance
address = new Address("Nanjing", "Jiangsu", 210000);//modify the instance

address將不存在任何無(wú)效的臨時(shí)狀態(tài)。那些臨時(shí)狀態(tài)只存在于Address的構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行過(guò)程中。這樣一來(lái)，Address是異常安全的，也是線程安全的。

5.3 確保0為值類(lèi)型的有效狀態(tài)

.NET的默認(rèn)初始化機(jī)制會(huì)將引用類(lèi)型設(shè)置為二進(jìn)制意義上的0，即null。而對(duì)于值類(lèi)型，不論我們是否提供構(gòu)造函數(shù)，都會(huì)有一個(gè)默認(rèn)的構(gòu)造函數(shù)，將其設(shè)置為0。

一種典型的情況是枚舉：

然后用做值類(lèi)型的成員：

創(chuàng)建Employee結(jié)構(gòu)體將得到一個(gè)無(wú)效的Sex字段：
Employee employee = new Employee ();

employee的_sex是無(wú)效的，因?yàn)槠錇?。我們應(yīng)該將0作為一個(gè)為初始化的值明確表示出來(lái)：

如果值類(lèi)型中包含引用類(lèi)型，會(huì)出現(xiàn)另一種初始化問(wèn)題：

然后創(chuàng)建一個(gè)ErrorLog：
ErrorLog errorLog = new ErrorLog ();

errorLog的_message字段將是一個(gè)空引用。我們應(yīng)該通過(guò)一個(gè)屬性來(lái)將_message暴露給客戶(hù)代碼，從而使該問(wèn)題限定在ErrorLog 的內(nèi)部：

5.4 盡量減少裝箱和拆箱

裝箱指把一個(gè)值類(lèi)型放入一個(gè)未具名類(lèi)型的引用類(lèi)型中，比如：
int valueType = 0;
object referenceType = i;//boxing

拆箱則是從前面的裝箱對(duì)象中取出值類(lèi)型：
object referenceType;
int valueType = (int)referenceType;//unboxing

裝箱和拆箱是比較耗費(fèi)性能的，還會(huì)引入一些詭異的bug，我們應(yīng)當(dāng)避免裝箱和拆箱。

裝箱和拆箱最大的問(wèn)題是會(huì)自動(dòng)發(fā)生。比如：
Console.WriteLine("A few numbers: {0}, {1}.", 25, 32);

其中，Console.WriteLine()接收的參數(shù)類(lèi)型是(string，object，object)。因此，實(shí)際上會(huì)執(zhí)行以下操作：
int i = 25;
obeject o = i;//boxing

然后把o傳給WriteLine()方法。在WriteLine()方法的內(nèi)部，為了調(diào)用i上的ToString()方法，又會(huì)執(zhí)行：
int i = (int)o;//unboxing
string output = i,ToString();

所以正確的做法應(yīng)該是：
Console.WriteLine("A few numbers: {0}, {1}.", 25.ToString(), 32.ToString());

25.ToString()只是執(zhí)行一個(gè)方法并返回一個(gè)引用類(lèi)型，不存在裝箱/拆箱的問(wèn)題。

另一個(gè)典型的例子是ArryList的使用：

上面的代碼不僅存在性能的問(wèn)題，還容易導(dǎo)致錯(cuò)誤發(fā)生。

在這種情況下，更好的做法是使用泛型集合：
List<Employee> employees = new List<Employee>();

由于List<T>是強(qiáng)類(lèi)型的集合，employees.Add()方法不進(jìn)行類(lèi)型轉(zhuǎn)換，所以不存在裝箱/拆箱的問(wèn)題。

6. 總結(jié)

C#中，變量是值還是引用僅取決于其數(shù)據(jù)類(lèi)型。

C#的值類(lèi)型包括：結(jié)構(gòu)體（數(shù)值類(lèi)型，bool型，用戶(hù)定義的結(jié)構(gòu)體），枚舉，可空類(lèi)型。

C#的引用類(lèi)型包括：數(shù)組，用戶(hù)定義的類(lèi)、接口、委托，object，字符串。

數(shù)組的元素，不管是引用類(lèi)型還是值類(lèi)型，都存儲(chǔ)在托管堆上。

引用類(lèi)型在棧中存儲(chǔ)一個(gè)引用，其實(shí)際的存儲(chǔ)位置位于托管堆。為了方便，本文簡(jiǎn)稱(chēng)引用類(lèi)型部署在托管推上。

值類(lèi)型總是分配在它聲明的地方：作為字段時(shí)，跟隨其所屬的變量（實(shí)例）存儲(chǔ)；作為局部變量時(shí)，存儲(chǔ)在棧上。

值類(lèi)型在內(nèi)存管理方面具有更好的效率，并且不支持多態(tài)，適合用作存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的載體；引用類(lèi)型支持多態(tài)，適合用于定義應(yīng)用程序的行為。

應(yīng)該盡可能地將值類(lèi)型實(shí)現(xiàn)為具有常量性和原子性的類(lèi)型。

應(yīng)該盡可能地確保0為值類(lèi)型的有效狀態(tài)。

應(yīng)該盡可能地減少裝箱和拆箱。

7. 參考
Effective C#
Professional C#
Programming .NET Components
C#語(yǔ)言規(guī)范
Type Fundamentals