string:實值型別？參考型別？

　　string是一種很特殊的資料類型，它既是基元類型又是參考型別，在編譯以及運行時，.Net都對它做了一些最佳化工作，正式這些最佳化工作有時會迷惑編程人員，使string看起來難以琢磨，這篇文章分上下兩章，共四節，來講講關於string的陌生一面。
　　一．恒定的字串
　　要想比較全面的瞭解stirng類型，首先要清楚.Net中的實值型別與參考型別。在C#中，以下資料類型為實值型別：
　　　　bool、byte、char、enum、sbyte以及數字類型(包括可空類型)
　　以下資料類型為參考型別：
　　　　class、interface、delegate、object、stirng
　　看到了嗎，我們要討論的stirng赫然其中。被聲明為string型變數存放於堆中，是一個徹頭徹尾的參考型別。
　　那麼許多同學就會對如下代碼產生有疑問了，難道string類型也會“牽一髮而動全身”嗎？讓我們先來看看以下三行代碼有何玄機：
　　　　string a = "str_1";
　　　　string b = a;
　　　　a = "str_2";

　　不要說無聊，這一點時必須講清楚的！在以上代碼中，第3行的“=”有一個隱藏的秘密：它的作用我們可以理解為建立，而不是對變數“a”的修改。以下是IL代碼，可以說明這一點：
  .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行對應 C#代碼 a = "str_2";
   IL_0015:  ret
　　可以看出IL代碼的第1、6行，由ldstr指令建立字串"str_1"，並將其關聯到了變數“a”中；7、8行直接將堆棧頂部的值彈出並關聯到變數“b”中；9、10由ldstr建立字串"str_2"，關聯在變數“a”中（並沒有像我們想象的那樣去修改變數a的舊值，而是產生了新的字串）；
　　在C#中，如果用new關鍵字執行個體化一個類，對應是由IL指令newobj來完成的；而建立一個字串，則由ldstr指令完成，看到ldstr指令，我們即可認為，IL希望建立一個新的字串 。（注意：是IL希望建立一個字串，而最終是否建立，還要在運行時由字串的駐留機制決定，這一點下面的章節會有介紹。）
所以，第三行C#代碼(a = "str_2";)的樣子看起來是在修改變數a的舊值"str_1"，但實際上是建立了一個新的字串"str_2"，然後將變數a的指標指向了"str_2"的記憶體位址，而"str_1"依然在記憶體中沒有受到任何影響，所以變數b的值沒有任何改變---這就是string的恒定性，同學們，一定要牢記這一點，在.Net中，string類型的對象一旦建立即不可修改！包括ToUpper、SubString、Trim等操作都會在記憶體中產生新的字串。
　　本節重點回顧：由於stirng類型的恒定性，讓同學友們經常誤解，string雖屬參考型別但經常表現出值的特性，這是由於不瞭解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";
　　這樣會在記憶體中建立"str_1"和"str_2"兩個字串，但只有"str_2"在被使用，"str_1"不會被修改或消失，這樣就浪費了記憶體資源，這也是為什麼在做大量字串操作時，推薦使用StringBuilder的原因。
　　二．.Net中字串的駐留（重要）
　　在第一節中，我們講了字串的恒定性，該特性又為我們引出了字串的另一個重要特性：字串駐留。
　　從某些方面講，正是字串的恒定性，才造就了字串的駐留機制，也為字串的線程同步工作大開方便之門（同一個字串對象可以在不同的應用程式定義域中被訪問，所以駐留的字串是進程級的，記憶體回收不能釋放這些字串對象，只有進程結束這些對象才被釋放）。
　　我們用以下2行代碼來說明字串的駐留現象：
　　　　string a = "str_1";
　　　　string b = "str_1";
　　請各位同學友思考一下，這2行代碼會在記憶體中產生了幾個string對象？你可能會認為產生2個：由於聲明了2個變數，程式第1行會在記憶體中產生"str_1"供變數a所引用；第2行會產生新的字串"str_1"供變數b所引用，然而真的是這樣嗎？我們用ReferenceEquals這個方法來看一下變數a與b的記憶體引用地址：
　　　　string a = "str_1";
　　　　string b = "str_1";
　　　　Response.Write(ReferenceEquals(a,b));   //比較a與b是否來自同一記憶體引用
　　　　輸出：True
　　哈，各位同學看到了嗎，我們用ReferenceEquals方法比較a與b，雖然我們聲明了2個變數，但它們竟然來自同一記憶體位址！這說明string b = "str_1";根本沒有在記憶體中產生新的字串。
　　這是因為，在.Net中處理字串時，有一個很重要的機制，叫做字串駐留機制。由於string是編程中用到的頻率較高的一種類型，CLR對相同的字串，只分配一次記憶體。CLR內部維護著一塊特殊的資料結構，我們叫它字串池，可以把它理解成是一個HashTable，這個HashTable維護著程式中用到的一部分字串，HashTable的Key是字串的值，而Value則是字串的記憶體位址。一般情況下，程式中如果建立一個string類型的變數，CLR會首先在HashTable遍曆具有相同Hash Code的字串，如果找到，則直接把該字串的地址返回給相應的變數，如果沒有才會在記憶體中建立一個字串對象。
　　所以，這2行代碼只在記憶體中產生了1個string對象，變數b與a共用了記憶體中的"str_1"。
　　好了，結合第一節所講到的字串恒定性與第二節所講到的駐留機制，來理解一下下面4行代碼吧：
　　　　string a = "str_1"; //聲明變數a，將變數a的指標指向記憶體中新產生的"str_1"的地址
　　　　a = "str_2";  //CLR先會在字串池中遍曆"str_2"是否已存在，如果沒有，則建立"str_2"，並修改變數a的指標，指向"str_2"記憶體位址，"str_1"保持不變。（字串恒定）
　　　　string c = "str_2"; //CLR先會在字串池中遍曆"str_2"是否已存在，如果存在，則直接將變數c的指標指向"str_2"的地址。（字串駐留）

　　那麼如果是動態建立字串呢？字串還會不會有駐留現象呢？
　　我們分3種情況講解動態建立字串時，駐留機制的表現：

　　字串常量串連
　　　　string a = “str_1” + “str_2”;
　　　　string b = “str_1str_2”;
　　　　Response.Write(ReferenceEquals(a,b));   //比較a與b是否來自同一記憶體引用
　　　　輸出 ：True
　　IL代碼說明問題：
　　　　.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行對應c#代碼string a = “str_1” + “str_2”;
　　第7、8對應c# string b = “str_1str_2”;
　　可以看出，字串常量串連時，程式在被編譯為IL代碼前,編譯器已經計算出了字串常量串連的結果，ldstr指令直接處理編譯器計算後的字串值，所以這種情況字串駐留機制有效！
　　字串變數串連
　　　　string a = “str_1”;
　　　　string b = a + “str_2”;
　　　　string c = “str_1str_2”;
　　　　Response.Write(ReferenceEquals(b,c));
　　　　輸出：False

　　IL代碼說明問題：
   .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行對應string a = “str_1”;
　　第7、8、9行對應string b = a + “str_2”;，IL用的是Concat方法連接字串
　　第13、18行對應string c = “str_1str_2”;
　　可以看出，字串變數串連時，IL使用Concat方法，在運行時產生最終的串連結　　果，所以這種情況字串駐留機制無效！
　　3.顯式執行個體化

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

　　　　輸出 False

　　IL代碼：
   .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

　　這種情況比較好理解，IL使用newobj來執行個體化一個字串對象，駐留機制無效。從string b = new string('a',1);這行代碼我們可以看出，其實string類型實際上是由char[]實現的，一個string的誕生絕不像我們想想的那樣簡單，要由棧、堆同時配合，才會有一個string的誕生。這一點在第四節會有介紹。
　　當然，當字串駐留機制無效時，我們可以很簡便的使用string.Intern方法將其手動駐留至字串池中，例如以下代碼：
　　　　string a = "a";
　　　　string b = new string('a',1);　　　　
　　　　Response.Write(ReferenceEquals(a, string.Intern(b)));

　　　　輸出：True  

　　程式返回Ture，說明變數"a"與"b"來自同一記憶體位址。

 

　　三、其它
　　這一節將主要給大家介紹一些string的常見問題。
　　1.“string = ”與“new stirng()”的區別
　　　　string test = "a";
　　　　string test = new string('a', 1);

　　以上兩行代碼的效果是一樣的，它們的區別在於載入”a”的時間不同：第一行的“a”是一個常量，在編譯期就已經被放在一個叫做常量池的地方了，常量池通常裝載一些在編譯期被確定下來的資料，例如類、介面等等；而第二行是運行時CLR在堆中產生的值為“a”的字串對象，所以後者沒有字串駐留。
　　2. string 與 String的區別
　　String的大名叫做System.String，在編譯為IL代碼時，string和System.String會產生完全相同的代碼：(ps：long和System.Int64，float和System.Single等也有此特性)
　　C#代碼：
　　　　string str_test = "test";
           System.String Str_test = "test";
　　IL碼：
   // 代碼大小       14 (0xe)
   .maxstack  1
   .locals init ([0] string str_test,
            [1] string Str_test)
   IL_0000:  nop
   IL_0001:  ldstr      "test"
   IL_0006:  stloc.0
   IL_0007:  ldstr      "test"
   IL_000c:  stloc.1
   IL_000d:  ret
　　　　所以，二者的區別並不在於底層，而是在於string是類似於int的基元類型；System. String是架構類庫（FCL）的基本類型，二者之間有直接的對應關係。
　　3.StringBuilder
　　StringBuilder提供了高效建立字串的方法，由StringBuilder表示的字串是可變的(非恒定的)，在需要多處使用“+”連接字串變數的時候，推薦使用StringBuilder來完成，最後調用其ToString()方法輸出。當調用了StringBuilder的ToString()方法之後，StringBuilder將返回其內部維護的一個字串欄位引用，如再次修改StringBuilder，它將會建立一個新的字串，這時被修改的是新的字串，原來已經返回的字串才不會發生改變。
　　　　StringBuilder有兩個比較重要的內部欄位，大家需要掌握：
　　　　m_MaxCapacity：StringBuilder的最大容量，它規定了最多可以放置到　　　　　　　　m_StringValue的字元個數，預設值為Int32.MaxValue。m_MaxCapacity一旦被指定就不能再更改。
　　　　m_StringValue：StringBuilder維護的一個字元數組串，實際上可以理解為一個字串。StringBuilder重寫的Tostring()方法返回的就是這個欄位。

 

 

《另：再說String》

String主要具有以下的兩個顯著的特點： 

關於Process-wide字串駐留機制的存在，我想我在《深入理解string和如何高效地使用string》中的Sample已經很明顯的證明的這點。不過文中並沒有為此提供充分的理論的基礎，現在我就來談談為什麼String的駐留是跨AppDomain的。

要明白Process-wide字串駐留機制的原理，必須首先瞭解一個託管程式是如何啟動並執行。

當我們運行一個託管程式，我們知道CLR會為此建立一個Default AppDomain，但實際上Windows為我們作的事情遠不止這麼簡單。之所以我們說一個Application是在一個託管的環境下執行的，是指的是CLR對他進行託管。所以在這之前，對CLR的載入是必須的。我們知道.NET Framework是建立在Windows平台之上的，如果說Windows是對電腦硬體的封裝的話，.NET Framework則可以看成是對Windows的封裝，通過.NET Framework API封裝了對傳統Win32的封裝。正是因為Windows是.NET Framework的基礎架構，所以.NET Framework只能是利用Windows所能理解的方式進行構建。而對於一個Windows來說，所有能被載入執行的都是一個PE檔案（Portable Executable file），比如exe和dll。CLR也不能免俗，他實際上是一個COM Server的形式實現在一個叫做MSCorWks.Dll中，該Dll存在於.NET Framework對應的目錄中。

當程式開始啟動並執行時候，有一個稱為SystemDomain的AppDomain被建立，SystemDomain載入一個名為MSCorEE.Dll,該Dll就是我們經常所說的“墊片”（shim）。通過定義在該墊片中的一個名為CorBindToRuntimeEx的函數載入對應版本的CLR，並返回一個非託管的ICLRRuntimeHost interface。SystemDomain可以說是整個Process的樞紐，它負責建立、初始化、卸載SharedDomain和DefaultDomain。

我們知道AppDomain是一個Assembly的託管容器，Assembly在一般情況下是基於某個單獨的AppDomain的，不能與另一個AppDomain共用的。但是有些公用性很強的Assembly，比如我們經常使用的一些基元類型object, int，Array，ValueType等，卻希望它被一個AppDomain載入之後，能夠被其他的AppDomain共用，這樣可以省去很多記憶體空間和Assembly載入帶來的效能損失。這些Assembly就是被載入到SharedDomain中，我們常用的MScorLib.dll就是被以這樣的方式被載入的SharedDomain中的。Default Domain就是為具體的Application建立的AppDomain，它一般以可執行檔名命名。DefaultDomain中可以通過AppDomain.CreateAppDomain建立另一個AppDomain。所以當我們運行一個託管的Application的時候，實際上建立了3個不同AppDomain：SystemDomain，ShatedDomain和DefaultDomain，而SystemDomain和ShatedDomain基於整個進程的，能夠被DefaultDomain以及被它建立AppDomain共用的。

有了上面的基礎，我想我們就不難理解String的駐留機制的。String的駐留機制實際上是在SystemDomain中進行的。當CLR被載入之後，會在SystemDomain對應的managed heap中建立一個Hash table的資料結構，我們可以稱這個Hashtable為Interning table，因為它是被用來儲存被駐留的string的，Interning table的Key為string本身，Value為string對象的地址。

當我們的託管程式（無論對於那個AppDomain）需要一個string的時候，CLR首先在這個Hashtable根據這個string的hash code試著在Interning table中找對應的Item。如果成功找到，則直接把對應的引用返回，否則就在SystemDomain對應的managed heap中建立該string，並加入到Interning table中，並把引用返回。所以我們說字串的駐留是基於整個進程的，是可以跨AppDomain共用的，就是這個道理。

• String的恒定性：String一經建立，它所對應的字元序列就無法更改（當然我們的前提是託管的環境下）。
• String的駐留：CLR對String的建立實行駐留機制，CLR只會維護具有不同字元序列的String。換言之，在程式中使用到的具有完全相同的字元序列的String均是對應著同一個string對象，是對同一個段記憶體的引用。值得一提的是String的這種駐留機制不僅僅是基於某個單獨的AppDomain的，而是針對整個進程的。