还不明白可空类型原理？ 我可要挖到底了

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();
        }
复制代码

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
复制代码

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();
        }复制代码

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();
    }
}复制代码

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] 
复制代码

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
复制代码

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复制代码

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
复制代码

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]][])
复制代码

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。