还不明白可空类型原理？ 我可要挖到底了
2021-02-24 22:05
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一：背景
1. 讲故事
做好自媒体到现在有一个月了，关注我的兄弟应该知道我产出了不少文章，号里的粉丝也多起来了，我也尽最大努力做到有问必回，现在是基础的、高深的问题都接踵而来，可我也只是一只小菜鸟，想飞也飞不动了(┬＿┬)，昨天号里有位朋友被面试官问到可空类型的原理，回答的不好，面试官也是，面就面呗，又给不了多少银子，还动不动就原理，哪有那么多原理，搞得双方都尴尬。
二：给我锄头我要挖到底
这种问题要怎么挖呢？我在之前的文章也聊过，C#代码到机器码中间有两个编译过程，一个是csc编译后的IL代码，一个是jit编译后的native代码，所以搞懂IL代码和native代码就是我们要深究的方向，我还是把那篇文章的图拿过来。
为了方便演示，我就定义一个
int?类型，接收非null和null两种情况。
static void Main(string[] args)
{
int? num1 = 10;
int? num2 = null;
Console.WriteLine("执行结束啦！");
Console.ReadLine();
}
1. 挖IL代码
挖IL代码简单，用ILSPY小工具就可以了，编译后生成的IL代码如下：
.method private hidebysig static
void Main (
string[] args
) cil managed
{
// Method begins at RVA 0x2048
// Code size 36 (0x24)
.maxstack 2
.entrypoint
.locals init (
[0] valuetype [mscorlib]System.Nullable`1<int32> num1,
[1] valuetype [mscorlib]System.Nullable`1<int32> num2
)
IL_0000: nop
IL_0001: ldloca.s 0
IL_0003: ldc.i4.s 10
IL_0005: call instance void valuetype [mscorlib]System.Nullable`1<int32>::.ctor(!0)
IL_000a: ldloca.s 1
IL_000c: initobj valuetype [mscorlib]System.Nullable`1<int32>
IL_0012: ldstr "执行结束啦！"
IL_0017: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
IL_001c: nop
IL_001d: call string [mscorlib]System.Console::ReadLine()
IL_0022: pop
IL_0023: ret
} // end of method Program::Main
这IL代码还是非常易懂的，比汇编简单多啦(┬＿┬)，可以看到
int ?就是
System.Nullable<int32>，然后从
valuetype标记可以看到这玩意是个值类型，所以把上面的代码回转成C#代码就是下面这样。
{
static void Main(string[] args)
{
//int? num1 = 10;
//int? num2 = null;
Nullable<int> num3 = new Nullable<int>(10);
Nullable<int> num4 = new Nullable<int>();
Console.WriteLine("执行结束啦！");
Console.ReadLine();
}
很简单吧，那怎么输出num3和num4呢？直接
Console.WriteLine就好了。
这里你肯定有一个疑问，为什么num3输出10，而num4什么都没输出呢？哈哈，这是因为Nullable的ToString()被重写了，再来看下ToString被重写成啥样了，代码如下：
public struct Nullable<T> where T : struct
{
private bool hasValue;
internal T value;
[NonVersionable]
[__DynamicallyInvokable]
public Nullable(T value)
{
this.value = value;
hasValue = true;
}
[__DynamicallyInvokable]
public override string ToString()
{
if (!hasValue)
{
return "";
}
return value.ToString();
}
}
可以看到ToString方法里要么返回空字符串要么返回你在构造函数中塞入的value，这这么简单，IL代码挖到这里就可以了。
2. 挖机器代码
要看num1和num2的机器代码，其实也就是看
Nullable<T>的内存布局方式，这里我使用windbg，还是使用
!clrstack -l查看线程栈。
int? num1 = 10;
int? num2 =null;
0:007> ~0s
ntdll!ZwReadFile+0x14:
00007ffc`ec11aa64 c3 ret
0:000> !clrstack -l
OS Thread Id: 0x5364 (0)
Child SP IP Call Site
ConsoleApp4.Program.Main(System.String[]) [C:\dream\Csharp\ConsoleApp1\ConsoleApp4\Program.cs @ 21]
LOCALS:
0x00000018a9dfeaf8 = 0x0000000a00000001
0x00000018a9dfeaf0 = 0x0000000000000000
00000018a9dfed08 00007ffcd5b66c93 [GCFrame: 00000018a9dfed08]
从
LOCALS中可以看到，num1和num2的线程栈上存放的内容分别是
0x0000000a00000001和
0x0000000000000000, 不过这值也挺奇怪的，一个是1一个是0。。。我们用 dd 命令把地址转储出来。
0:000> dd 0x00000018a9dfeaf8
00000018`a9dfeaf8 00000001 0000000a a9dfec08 00000018
0:000> dd 0x00000018a9dfeaf0
00000018`a9dfeaf0 00000000 00000000 00000001 0000000a
在num1的内存区域中有一个十六进制值
0000000a，这就是十进制的10，那前面的
00000001是什么东西呢？大家不要忘啦,
int?是语法糖, 你现在看的是
Nullable<T>哈。。。
看清楚啦，这个结构体里面有两个值类型字段，自然
00000001就是
hasValue=true啦。
num2也就好理解了,两个默认值也就是两个0了。
00000000 00000000。
三：有意外发现
1. int? 比 int 要占用更多的内存
如果你的内存数据量特别大的话，你就要当心了，int? 比 int 在x64上要多占4个字节，也就是多一倍，无论线程栈还是托管堆。
2. 为什么bool要占用 4字节空间？
<1> 线程栈上的演示
肯定有人比较疑惑，bool在C#中不就是一个字节嘛？你怎么说是4个字节呢？你要是问我，我只能说从windbg上看就是这样的，x64系统的线程栈上就是以4个字节为一个单位，你不信的话，我就在代码中定义不同字段的 值类型，你看看在线程栈上的分布不就好啦，以事实说话。
byte b1 = byte.MaxValue;
byte b2 = byte.MaxValue;
short b3 = short.MaxValue;
short b4 = short.MaxValue;
int b5 = int.MaxValue;
int b6 = int.MaxValue;
0:000> !clrstack -l
OS Thread Id: 0xa98 (0)
ConsoleApp4.Program.Main(System.String[]) [C:\dream\Csharp\ConsoleApp1\ConsoleApp4\Program.cs @ 25]
LOCALS:
0x000000a8395fedbc = 0x00000000000000ff
0x000000a8395fedb8 = 0x00000000000000ff
0x000000a8395fedb4 = 0x0000000000007fff
0x000000a8395fedb0 = 0x0000000000007fff
0x000000a8395fedac = 0x000000007fffffff
0x000000a8395feda8 = 0x000000007fffffff
然后把最小的地址
0x000000a8395feda8转储出来。
0:000> dd 0x000000a8395feda8
000000a8`395feda8 7fffffff 7fffffff 00007fff 00007fff
000000a8`395fedb8 000000ff 000000ff 395feec8 000000a8
000000a8`395fedc8 395fefc8 000000a8 395fee00 000000a8
000000a8`395fedd8 d5b66c93 00007ffc 98e72d30 000001ee
000000a8`395fede8 76504140 00007ffc 00000000 00000000
000000a8`395fedf8 00000000 00007ffc 395feef0 000000a8
000000a8`395fee08 971d0b20 000001ee 00000000 00000000
000000a8`395fee18 d5b66b79 00007ffc 00000000 00000000
对比一下可以看到上面的
7fffffff, 00007fff,000000ff就是相应的
int,short,byte的MaxValue, 都是占用4个字节的空间，没问题吧。
<2> 托管堆演示
var arr1 = new int[] { 10 };
var arr2 = new int?[] { 14 };
0:000> !clrstack -l
OS Thread Id: 0x23f8 (0)
000000859a1fec60 00007ffc76630967 ConsoleApp4.Program.Main(System.String[]) [C:\dream\Csharp\ConsoleApp1\ConsoleApp4\Program.cs @ 32]
LOCALS:
0x000000859a1feca0 = 0x000002773cb32d70
0x000000859a1fec98 = 0x000002773cb32d90
000000859a1feeb8 00007ffcd5b66c93 [GCFrame: 000000859a1feeb8]
0:000> !do 0x000002773cb32d70
Name: System.Int32[]
MethodTable: 00007ffcd2d58538
EEClass: 00007ffcd2ec5918
Size: 28(0x1c) bytes
Array: Rank 1, Number of elements 1, Type Int32 (Print Array)
Fields:
None
0:000> !do 0x000002773cb32d90
Name: System.Nullable`1[[System.Int32, mscorlib]][]
MethodTable: 00007ffcd3fb2058
EEClass: 00007ffcd30221a0
Size: 32(0x20) bytes
Array: Rank 1, Number of elements 1, Type VALUETYPE (Print Array)
Fields:
None
0:000> !objsize 0x000002773cb32d70
sizeof(000002773cb32d70) = 32 (0x20) bytes (System.Int32[])
0:000> !objsize 0x000002773cb32d90
sizeof(000002773cb32d90) = 32 (0x20) bytes (System.Nullable`1[[System.Int32, mscorlib]][])
可以看到，一个是28byte，一个是32byte，多出来的就是那个hasValue哈，有一点要注意了，用
!objsize打出来都是32byte，这是因为
28byte要靠8对齐就变成
32byte啦， 然后我把两个值类型转储出来，如下图：
四：总结
挖到这里，不知道可挖到了面试官的盲区啦，总之int?就是
Nullable<T>， 而且可空比非可空多4个字节的空间，最后大家要看自己情况使用啦。
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