面试问题：堆与栈（C#）

前言

最近我失业了，为了找新工作，这几周我频繁参加技术面试。尽管每个项目都各有不同，但面试官往往会不时地问一些相同的问题。我决定记录下我经常遇到的面试问题，并写下我的答案。

当你处于换工作状态时，准备面试可能会很乏味。所以我欢迎你关注这个系列，我会尝试在每篇文章中涵盖不同的面试主题。我会定期更新这些文章，希望对大家有所帮助。

注意：如果您发现错误，请在评论中告诉我，我会纠正。谢谢！

问：在 C# 中对象分配在哪里？

在 C# 中，有两个地方可以存储对象——堆和栈。

堆栈上分配的对象仅在堆栈框架（方法的执行）内部可用，而堆上分配的对象可以从任何地方访问。

问：哪些对象分配在栈上，哪些对象分配在堆上？

注意：你永远不应该说“引用类型在堆上分配，而值类型在堆栈上分配”，这是一个常见的错误，会给经验丰富的面试官敲响警钟。

引用类型（类、接口、委托）始终在堆上分配。

当你将一个引用对象作为参数传递或赋值给一个变量时，你实际上是在传递它的引用。引用（而不是被引用的对象）可以在栈或堆上分配。

通过传递对对象的引用，您可以知道该对象在堆上的位置，以便您的代码可以访问它。

每次将对象作为引用传递时，引用本身都会被复制。这意味着您可以将引用更改为指向其他对象，而不会影响先前的对象本身或指向该对象的其他引用。引用是轻量级的，并且始终是恒定大小（32 位或 64 位，具体取决于操作系统位数），因此复制它（并因此传递引用类型）被认为是廉价的。

值类型（派生自System.ValueType，例如int，，bool和char任何enum）struct可以在堆或堆栈上分配，具体取决于它们在何处声明。

从 C#7.2 开始，astruct可以声明为ref struct，在这种情况下它将始终在堆栈上分配，从而防止在引用类型内声明它。

值类型的实例通过复制传递（除非使用引用语义，见下文）。这意味着每次将值类型赋值给变量或作为参数传递时，该值都会被复制。

由于复制值类型的成本可能会根据对象的大小而变得昂贵，因此不建议将占用大量内存的对象声明为值类型。

由于 C# 中的每个类型都派生自System.Object，因此值类型可以分配给变量或传递给需要的方法object。在这种情况下，值会被复制并存储在堆上，包装成引用类型，这一操作称为装箱。

问：我们可以使用具有引用语义的值类型吗？

诸如refand out、ref returnand ref local(C#7.0)、in(C#7.2) 等关键字允许通过引用访问值类型。这意味着，使用代码不会复制值，而是会接收该值的引用（无论该引用位于堆栈还是堆上），只要该值类型的生命周期比使用代码的生命周期长即可。

问：如何释放堆内存？

虽然在弹出包含堆栈的框架时，堆栈上存储的对象会消失，但堆上存储的对象所使用的内存需要由垃圾收集器释放。

当存储在堆上的对象不再具有指向它的任何引用时，它就被认为有资格进行垃圾收集。

在某个时刻，垃圾收集器启动，中断所有正在运行的线程，调用它试图摆脱的对象的终结器（在特殊的终结器线程上），然后将内存标记为可自由使用。

问：在堆上分配和释放内存可能会出现什么问题？

随着堆内存的分配和释放，堆中会产生碎片。如下图所示：

HEAP:
---][-------][----------][-----]........
      obj 1      obj 2    obj 3   free

当obj 2被取消分配时，其内存将被释放：

HEAP:
---][-------]............[-----]........
      obj 1      free     obj 3   free

现在，如果运行时需要在堆上分配另一个对象，它可以使用释放的内存obj 2，但前提是新对象确实“适合”。如果该内存不足，运行时可能会通过扩展其工作集向操作系统请求更多连续内存，如下所示：

HEAP:
---][-------]............[-----][--------------------]...
      obj 1      free     obj 3         obj 4

由于碎片化，内存使用效率会降低。为了解决这个问题，垃圾收集器可能会重新整理内存，使之不再有空隙。这可以通过简单地复制字节来实现，这一操作称为“碎片整理”。

HEAP:
---][-------][-----][--------------------]...............
      obj 1   obj 3         obj 4               free

问：什么是大对象堆以及它有什么用途？

根据消耗的内存大小，内存碎片整理的成本可能很高，这就是为什么堆被进一步分为小对象堆（SOH）和大对象堆（LOH）。

如果对象小于 85k 字节，则存储在 SOH 中，否则存储在 LOH 中。85000 字节的临界点是根据经验设计的，超过该临界点后，碎片整理将不再提供性能优势。

由于 CPU 处理doubles 的方式，数组double是一个例外，如果数组中的元素超过 1000 个，则此类对象将存储在 LOH 上。

LOH 中的内存（通常）不会进行碎片整理，从而以较低内存使用效率为代价提供更好的性能。