深入浅出图解C#堆与栈 C# Heap(ing) VS Stack(ing) 第五节引用类型复制问题及用克隆接口ICloneable修复

kiki的号 2017-06-20

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堆中引用类型复制问题及用克隆接口ICloneable修复

前言

虽然在.Net Framework 中我们不必考虑内在管理和垃圾回收(GC)，但是为了优化应用程序性能我们始终需要了解内存管理和垃圾回收(GC)。另外，了解内存管理可以帮助我们理解在每一个程序中定义的每一个变量是怎样工作的。

简介

这一节我们将介绍引用类型变量在堆中存储时会产生的问题，同时介绍怎么样使用克隆接口ICloneable去修复这种问题。

复制不仅仅是复制

为了更清晰的阐述这个问题，让我们测试一下在堆中存储值类型变量和引用类型变量时会产生的不同情况。

值类型测试

首先，我们看一下值类型。下面是一个类和一个结构类型(值类型)，Dude类包含一个Name元素和两个Shoe元素。我们有一个CopyDude()方法用来复制生成新Dude。

[csharp] view plain copy

public struct Shoe{
public string Color;
}
public class Dude
{
public string Name;
public Shoe RightShoe;
public Shoe LeftShoe;
public Dude CopyDude()
{
Dude newPerson = new Dude();
newPerson.Name = Name;
newPerson.LeftShoe = LeftShoe;
newPerson.RightShoe = RightShoe;
return newPerson;
}
public override string ToString()
{
return (Name + " : Dude!, I have a " + RightShoe.Color +
" shoe on my right foot, and a " +
LeftShoe.Color + " on my left foot.");
}
}

Dude类是一个复杂类型，因为值类型结构Shoe是它的成员，它们都将存储在堆中。

当我们执行下面的方法时：

[csharp] view plain copy

public static void Main()
{
Class1 pgm = new Class1();
Dude Bill = new Dude();
Bill.Name = "Bill";
Bill.LeftShoe = new Shoe();
Bill.RightShoe = new Shoe();
Bill.LeftShoe.Color = Bill.RightShoe.Color = "Blue";
Dude Ted = Bill.CopyDude();
Ted.Name = "Ted";
Ted.LeftShoe.Color = Ted.RightShoe.Color = "Red";
Console.WriteLine(Bill.ToString());
Console.WriteLine(Ted.ToString());
}

我们得到了期望的结果：

[plain] view plain copy

Bill : Dude!, I have a Blue shoe on my right foot, and a Blue on my left foot.
Ted : Dude!, I have a Red shoe on my right foot, and a Red on my left foot.

如果我们把Shoe换成引用类型呢？

引用类型测试

当我们把Shoe改成引用类型时，问题就产生了。

[csharp] view plain copy

public class Shoe{
public string Color;
}

执行同样上面的Main()方法，结果改变了，如下：

[plain] view plain copy

Bill : Dude!, I have a Red shoe on my right foot, and a Red on my left foot
Ted : Dude!, I have a Red shoe on my right foot, and a Red on my left foot

这并不是我们期望的结果。很明显，出错了！看下面的图解：

因为现在Shoe是引用类型而不是值类型，当我们进行复制时仅是复制了指针，我们并没有复制指针真正对应的对象。这就需要我们做一些额外的工作使引用类型Shoe像值类型一样工作。

很幸运，我们有一个接口可以帮我们实现：ICloneable。当Dude类实现它时，我们会声明一个Clone()方法用来产生新的Dude复制类。（译外话：复制类及其成员跟原始类不产生任何重叠，即我们所说的深复制) 看下面代码：

[csharp] view plain copy

ICloneable consists of one method: Clone()
public object Clone()
{
}
Here's how we'll implement it in the Shoe class:
public class Shoe : ICloneable
{
public string Color;
#region ICloneable Members
public object Clone()
{
Shoe newShoe = new Shoe();
newShoe.Color = Color.Clone() as string;
return newShoe;
}
#endregion
}

在Clone()方法里，我们创建了一个新的Shoe，克隆所有引用类型变量，复制所有值类型变量，最后返回新的对象Shoe。有些既有类已经实现了ICloneable，我们直接使用即可，如String。因此，我们直接使用Color.Clone()。因为Clone()返回object对象，我们需要进行一下类型转换。

下一步，我们在CopyDude()方法里，用克隆Clone()代替复制：

[csharp] view plain copy

public Dude CopyDude()
{
Dude newPerson = new Dude();
newPerson.Name = Name;
newPerson.LeftShoe = LeftShoe.Clone() as Shoe;
newPerson.RightShoe = RightShoe.Clone() as Shoe;
return newPerson;
}

再次执行主方法Main()：

[csharp] view plain copy

public static void Main()
{
Class1 pgm = new Class1();
Dude Bill = new Dude();
Bill.Name = "Bill";
Bill.LeftShoe = new Shoe();
Bill.RightShoe = new Shoe();
Bill.LeftShoe.Color = Bill.RightShoe.Color = "Blue";
Dude Ted = Bill.CopyDude();
Ted.Name = "Ted";
Ted.LeftShoe.Color = Ted.RightShoe.Color = "Red";
Console.WriteLine(Bill.ToString());
Console.WriteLine(Ted.ToString());
}

我们得到了期望的结果：

[plain] view plain copy

Bill : Dude!, I have a Blue shoe on my right foot, and a Blue on my left foot
Ted : Dude!, I have a Red shoe on my right foot, and a Red on my left foot

下面是图解：

整理我们的代码

在实践中，我们是希望克隆引用类型并复制值类型的。这会让你回避很多不易察觉的错误，就像上面演示的一样。这种错误有时不易被调试出来，会让你很头疼。

因此，为了减轻头疼，让我们更进一步清理上面的代码。我们让Dude类实现IConeable代替使用CopyDude()方法：

[csharp] view plain copy

public class Dude: ICloneable
{
public string Name;
public Shoe RightShoe;
public Shoe LeftShoe;
public override string ToString()
{
return (Name + " : Dude!, I have a " + RightShoe.Color +
" shoe on my right foot, and a " +
LeftShoe.Color + " on my left foot.");
}
#region ICloneable Members
public object Clone()
{
Dude newPerson = new Dude();
newPerson.Name = Name.Clone() as string;
newPerson.LeftShoe = LeftShoe.Clone() as Shoe;
newPerson.RightShoe = RightShoe.Clone() as Shoe;
return newPerson;
}
#endregion
}

在主方法Main()使用Dude.Clone()：

[csharp] view plain copy

public static void Main()
{
Class1 pgm = new Class1();
Dude Bill = new Dude();
Bill.Name = "Bill";
Bill.LeftShoe = new Shoe();
Bill.RightShoe = new Shoe();
Bill.LeftShoe.Color = Bill.RightShoe.Color = "Blue";
Dude Ted = Bill.Clone() as Dude;
Ted.Name = "Ted";
Ted.LeftShoe.Color = Ted.RightShoe.Color = "Red";
Console.WriteLine(Bill.ToString());
Console.WriteLine(Ted.ToString());
}

最后得到期望的结果：

[plain] view plain copy

Bill : Dude!, I have a Blue shoe on my right foot, and a Blue on my left foot.
Ted : Dude!, I have a Red shoe on my right foot, and a Red on my left foot.

特殊引用类型String

在C#中有趣的是，当System.String 使用操作符“=”时，实际上是进行了克隆(深复制)。你不必担心你只是在操作一个指针，它会在内存中创建一个新的对象。但是，你一定要注意内存的占用问题(译外话：比如为什么在一定情况下我们使用StringBuilder代替String+String+String+String...前者速度稍慢初始化耗多点内存但在大字符串操作上节省内存，后者速度稍快初始化简单但在大字符串操作上耗内存)。如果我们回头去看上面的图解中，你会发现Stirng类型在图中并不是一个针指向另一个内存对象，而是为了尽可能的简单，把它当成值类型来演示了。