限制自由度分析（还不明白可空类型原理）

一：背景

1. 讲故事

下决心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。