實值型別語意

發行項
02/28/2013

從 Managed Extensions for C++ 升級為 Visual C++ 之後，實值型別 (Value Type) 語意已變更。

下列是在 Managed Extensions for C++ 規格中所使用的標準簡單實值型別：

__value struct V { int i; };
__gc struct R { V vr; };

在 Managed Extensions 中，一種實值型別可以擁有四種語法變數 (其中形式 2 和 3 的語意相同)：

V v = { 0 };       // Form (1)
V *pv = 0;         // Form (2) an implicit form of (3)
V __gc *pvgc = 0;  // Form (3)
__box V* pvbx = 0; // Form (4) must be local

叫用繼承的虛擬方法

Form (1) 是標準值物件，而且已獲得適當的充分暸解，但是當某人嘗試叫用如 ToString() 之類之繼承的虛擬方法時例外。例如：

v.ToString(); // error!

如果要叫用此方法，由於並未在 V 中覆寫此方法，因此編譯器必須擁有相關基底類別之虛擬資料表的存取權。因為實值型別是缺少虛擬資料表之相關指標 (vptr) 的目前狀態中 (in-state) 儲存體，因此會要求 Box 處理 v。在 Managed Extensions 語言設計中，未支援隱含的 Boxing，但是必須由程式設計人員明確指定，如下所示

__box( v )->ToString(); // Managed Extensions: note the arrow

此設計背後的主要動機具備教學意義：程式設計人員必須能夠看見基礎機制，使其了解不在實值型別中提供執行個體的「代價」。如果 V 包含 ToString 的執行個體，就不一定需要 Boxing。

在新語法中，會移除明確 Boxing 物件的語彙複雜性，但不會移除 Boxing 本身的基礎代價：

v.ToString(); // new syntax

但是至於在 V 中未提供 ToString 方法的明確執行個體的代價，則是可能會誤導類別設計工具。慣用隱含 Boxing 的原因在於，通常類別設計工具只有一個，使用者卻有無限多個，如果沒有一個使用者可以自由修改 V，就可以消除可能很繁重的明確 Box。

判定是否在實值類別中提供 ToString 之覆寫執行個體的準則，是執行個體的使用頻率和位置。如果很少呼叫，當然在定義中就沒有什麼優勢。同樣地，如果在應用程式的非效能區域中呼叫，加入執行個體也不會適當地加入至應用程式的一般效能。此外，可以將追蹤處理代碼保持為 Boxed 值，則透過該處理代碼所做的呼叫就不需要 Boxing。

不再有實值類別預設建構函式

Managed Extensions 和新語法之間的另一項實值型別差異，則是後者已移除預設建構函式的支援。原因是在執行期間，有時 CLR 可以不需要叫用相關的預設建構函式，就直接建立實值型別的執行個體。也就是說，在 Managed Extensions 中，嘗試在實值型別中支援預設建構函式實際上無法獲得保證。如果缺乏保證，那麼徹底刪除支援似乎比在應用程式中不具決定性來好。

這並不像一開始看到的那麼糟。這是因為會自動去除實值型別的每個物件 (亦即每個型別都會初始化為其預設值)。因此，一定會定義本機執行個體的成員。就這點看來，無法定義一般預設建構函式真的一點都不算是損失，而且事實上，當由 CLR 執行時還更有效率。

問題是當 Managed Extensions 的使用者定義非一般預設建構函式時。這一點並未對應至新語法。建構函式中的程式碼將需要遷移至具名初始化方法，而此方法之後需要由使用者明確叫用。

新語法中的實值型別物件宣告則未變更。此項目的缺點是，實值型別基於下列理由並未符合原生型別包裝的要求：

在實值型別中沒有解構函式 (Destructor) 的支援。也就是說，無法自動化物件存留期結束時所觸發的一組動作。
原生類別只能當做指標內含於 Managed 型別中，此指標稍後會配置在原生堆積 (Heap) 上。

我們想要將小的原生類別包裝於實值型別而非參考型別中，以避免重複堆積配置：原生堆積是用來存放原生型別，而 CLR 堆積是用來存放 Managed 包裝函式。將原生類別包裝於實值型別中可以避免 Managed 堆積，但是無法自動化原生堆積記憶體的回收。參考型別是唯一可在其中包裝非一般原生類別的 Managed 型別。

內部指標

上述的 Form (2) 和 Form (3) 幾乎可以處理目前和以後的任何項目 (亦即任何 Managed 或原生項目)。例如，因此在 Managed Extensions 中允許下列所有項目：

__value struct V { int i; };
__gc struct R { V vr; };

V v = { 0 };  // Form (1)
V *pv = 0;  // Form (2)
V __gc *pvgc = 0;  // Form (3)
__box V* pvbx = 0;  // Form (4)

R* r;

pv = &v;            // address a value type on the stack
pv = __nogc new V;  // address a value type on native heap
pv = pvgc;          // we are not sure what this addresses
pv = pvbx;          // address a boxed value type on managed heap
pv = &r->vr;        // an interior pointer to value type within a
                    //    reference type on the managed heap

所以，V* 可以處理下列範圍內的位址：在區域區塊 (因此可以依附)、在全域範圍、在原生堆積中 (例如，如果已刪除所處理的物件)、在 CLR 堆積中 (如果應該在記憶體回收期間遷移，因此應會追蹤)，以及在 CLR 堆積的參考物件內部 (如果呼叫，也會透明地追蹤內部指標)。

在 Managed Extensions 中，無法區隔 V* 的原生部分，也就是說，將原生部分視為內含物，因而處理在 Managed 堆積上為物件或子物件定址的可能性。

在新語法中，實值型別指標分成兩種型別：限制在非 CLR 堆積位置的 V*，以及允許但是不需要 Managed 堆積中位址的內部指標 interior_ptr<V>。

// may not address within managed heap 
V *pv = 0; 

// may or may not address within managed heap
interior_ptr<V> pvgc = nullptr;

Managed Extensions 的 Form (2) 和 Form (3) 對應至 interior_ptr<V>。 Form (4) 是追蹤控制代碼。它會處理已在 Managed 堆積中 Box 的整個物件。在新語法中會轉譯為 V^。

V^ pvbx = nullptr; // __box V* pvbx = 0;

Managed Extensions 中的下列宣告全部都會對應至新語法中的內部指標 (這些內部指標是 System 命名空間中的實值型別)。

Int32 *pi;   // => interior_ptr<Int32> pi;
Boolean *pb; // => interior_ptr<Boolean> pb;
E *pe;       // => interior_ptr<E> pe; // Enumeration

雖然內建型別的確是當做 System 命名空間中的型別別名，但卻未被視為 Managed 型別。因此下列對應會在 Managed Extensions 和新語法之間保持為真：

int * pi;     // => int* pi;
int __gc * pi2; // => interior_ptr<int> pi2;

轉譯現有程式中的 V* 時，最穩健的策略就是永遠將它變成 interior_ptr<V>。這是在 Managed Extensions 中的處理方式。在新語法中，程式設計人員可以選擇指定 V* 而非內部指標，藉此將實值型別限制為 Unmanaged 堆積位址。如果轉譯程式時，可以為所有程式使用進行轉移終結，並且能夠確定沒有指派位址位於 Managed 堆積中，那麼保留為 V* 不會有問題。

Pin 指標

記憶體回收行程可以選擇將常駐於 CLR 堆積中的物件移動至堆積中的其他位置，而這通常是在壓縮階段進行。這項移動對於追蹤控制代碼、追蹤參考以及透明地更新這些實體的內部指標而言都不是問題。但是如果在執行階段環境以外，使用者已在 CLR 堆積上傳遞物件位址，這項移動就會造成問題。在這種情況下，短暫移動物件可能會引起執行階段錯誤。若要避免移動這類物件，必須針對物件外部使用的範圍，將物件區域性地 Pin 在位置上。

在 Managed Extensions 中，會使用 __pin 關鍵字限定指標宣告，藉以宣告「Pin 指標」(Pinning Pointer)。下列是從 Managed Extensions 規格稍做修改的範例：

__gc struct H { int j; };

int main() 
{
   H * h = new H;
   int __pin * k = & h -> j;
  
   // …
};

在新的語言設計中，是使用類似內部指標的語法宣告 Pin 指標。

ref struct H
{
public:
   int j;
};

int main()
{
   H^ h = gcnew H;
   pin_ptr<int> k = &h->j;

   // …
}

新語法中的 Pin 指標是特殊的內部指標。 Pin 指標仍具有原本的條件約束。例如，不能當做參數使用，也不能當做方法的傳回型別，只能在區域物件 (Local Object) 上宣告。不過在新語法中還增加了一些其他條件約束。

Pin 指標的預設值是 nullptr，而不是 0。 pin_ptr<> 不能被指派或是初始化為 0。需要將現有程式碼中的所有 0 的指派都變更為 nullptr。

Managed Extensions 中的 Pin 指標允許定址完整物件，如下列來自 Managed Extensions 規格的範例所示：

__gc class G {
public:
   void incr(int* pi) { pi += 1; }
};
__gc struct H { int j; };
void f( G * g ) {
   H __pin * pH = new H;   
   g->incr(& pH -> j);   
};

在新語法中，不支援 Pin 由 new 運算式所傳回的完整物件。反而需要 Pin 內部成員的位址。例如：

ref class G {
public:
   void incr(int* pi) { *pi += 1; }
};
ref struct H { int j; };
void f( G^ g ) {
   H ^ph = gcnew H;
   Console::WriteLine(ph->j);
   pin_ptr<int> pj = &ph->j;
   g->incr(  pj );
   Console::WriteLine(ph->j);
}