O local em que a alocação da memória é feita é somente determinado pelo seu tempo de vida e não pelo tipo de dado.
- Em C# existem instâncias de duas formas de valores: value types (o valor em si) e referências para outras instâncias.
- Existe o conceito de "locais de armazenagem" que podem armazenar valores.
- Todo valor manipulado por um programa está em um "local de armazenagem".
- Toda referência (exceto as nulas) apontem para um "local de armazenagem".
- Todo "local de armazenagem" tem um tempo de vida onde seu conteúdo é válido.
- O código de um método pode requerer um "local de armazenagem".
- Se o "local de armazenagem" é necessário somente durante o tempo de ativação (simplificadamente, período em que o método está em execução), ele é chamado de "vida curta". Se o "local de armazenagem" é necessário por um tempo mais longo que esse, ele é chamado "vida longa".
#Reference types
Tipos que são por referência (reference types) realmente tem seus dados (o objeto em si) no heap (memória comum à toda a aplicação gerenciada pelo garbage collector). Isso é um detalhe de implementação, mas é certo que funciona assim. E claro, estes tipos possuem uma referência (um ponteiro, um endereço de memória) que é guardada em algum lugar ("local de armazenagem").
A referência em si (não o objeto que ela aponta) é um tipo de valor (value type) também.
Quando o compilador ou o JITter não pode determinar ao certo o tempo de vida de um "local de armazenagem", o caminho mais seguro é usado, portanto o heap é utilizado.
#Value types
Tipos por valor devem ser imutáveis. Portando qualquer transporte do seu valor deve ser feito através de cópia integral dos seus membros, exceto se for explicitamente determinado que isto deva ser feito por referência (notadamente com modificador ref
em argumentos de métodos).
###Uma curiosidade:
struct Textos {
private string Texto1;
private string Texto2;
... aqui vão os construtores e métodos/propriedades de acesso e alteração dos membros, garantindo a imutabilidade ...
}
string
é tipo por referência. Você acha que há algum erro ou "má prática" na criação desta estrutura que é value type?
Nenhum problema. A estrutura é curta (8 bytes em 32 bits ou 16 bytes quando está em 64 bits), é imutável, e possivelmente tem outras características desejáveis para um tipo por valor (como o exemplo não é completo, só podemos imaginar isso).
Dentro desta estrutura guarda-se apenas duas referências para strings
. Nada mais que isso. Os textos que são os valores destas strings
ficam guardados no heap (até isto é um pouco mais complicado por causa do interning(en)). Para todos os efeitos Textos
é uma estrutura que apenas guarda duas referências (ponteiros).
###Utilização de memória
Uma estrutura não tem overhead de memória. O tamanho de uma estrutura é sempre a soma dos tamanhos de seus membros (lembrando que no exemplo acima o tamanho dos membros é o tamanho da referência), levando em consideração também o alinhamento de dados(en).
Os tipos que são armazenados por valor podem estar em diversos lugares.
Se procurar fontes confiáveis(en) verá que a alocação destes tipos é um pouco mais complicada do que a maioria dos programadores .Net entendem.
- O valor (que é o próprio objeto) pode estar em um registrador por otimização do JIT. A CLR sabe como lidar com isso. Enumeradores costumam ser colocados em registrador para otimizar loops.
- O valor pode estar na pilha como todo mundo imagina, isso é bem comum. Estes são os dados que estão diretamente vinculados aos métodos (você os acessa através de variáveis locais).
- O valor pode estar no heap por estar envelopado em algum outro tipo.
O último ponto merece maiores detalhes.
Se um value type faz parte um outro reference type como membro, onde esse valor vai ser armazenado?
Ora, se uma classe (um tipo por referência) é montada como uma sequência de membros de outros tipos, o conteúdo real desta classe (o objeto e não a sua referência) está no heap.
Se um tipo por valor faz parte de outro tipo que certamente está armazenado no heap, como ele pode estar armazenado na pilha?
Simples, ele não está. Veja:
public class Carro { public string Nome; public int Status; public bool EhNovo; public DataTime DataDaVenda; public Decimal ValorDaVenda; }
O exemplo possui falhas mas o que é importante é que cada instância desta classe possuirá armazenado:
- 4 bytes da referência do membro
Nome
; - 4 bytes do membro
Status
; - 1 byte (em tese, desconsiderando alinhamento) do membro
EhNovo
; - 8 bytes do membro
DataDavenda
; - 16 bytes do membro
ValorDaVenda
.
Todos estes espaços permitem armazenar os seus valores no heap, onde uma instância da classe
Carro
estará armazenada. No caso do membroNome
possivelmente terá ainda uma outra parte armazenada no heap - desde que ela não seja uma referência nula - mas que poderá estar em qualquer outro lugar da memória e não junto com o objeto instanciado do tipoCarro
.- 4 bytes da referência do membro
E se a classe for uma lista de inteiros? Algo como:
var notas = new List<int> { 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 };
Estes inteiros, que são value types, fazem parte do conteúdo da coleção. Onde eles ficarão armazenados?
No heap também. Internamente, em última análise, todos os elementos desta lista são armazenados em um array, que é apenas uma sequencia de dados do tipo definido. O
List
é uma classe, portanto um reference type e todos os seus dados ficam no heap.E se eu capturar uma variável local de um método do tipo
int
em um delegate que vai ser exposto para outras partes da aplicação. Onde esteint
local ficará armazenado?No heap também. É a única forma de manter um dado vivo que era local e sobreviveu através de um delegate. Quando esse dado local é capturado por um delegate, formando uma closure, esse dado passa fazer parte da classe que encapsula o delegate, através de uma referência, portanto faz parte de algo que está no heap e seu tempo de vida é controlado pelo garbage collector (poderá ser coletado quando o delegate não for referenciado pela aplicação).
Como se vê, existem várias formas em que um dado por valor pode estar no heap.
A referência em si para objetos (o dado concreto) são valores também. Acho que já ficou claro que a referência propriamente dita também pode estar nestes três locais.
Por exemplo, quando você tem uma lista de strings
(List<string>
), o que é armazenado nesta lista são as referências para cada uma das strings
, para cada um dos textos.
Se você quiser calcular o tamanho de um
List<string>
com 1000 elementos nulos, a grosso modo - esquece os outros membros do objetoList
e o overhead que todo objeto por referência tem - qual seria o tamanho ocupado no heap por esta lista em uma arquitetura 32 bits?Cada referência ocupará 4 bytes (32 bits == 4 bytes) por elemento na lista. 4 x 1000 elementos = 4000 bytes. Só isso.
E os dados das
strings
em si? Se todas são nulas, não há mais nenhum consumo. Mas se você inicializar todas as 1000strings
com algum texto, o consumo geral da memória certamente vai aumentar porque 1000 objetos do tipostring
deverão ser alocados. Mas o consumo do objeto do tipoList
não vai mudar nada. As referências continuam ocupando o mesmo espaço. Claro que o conteúdo de todas essas referências eram 0 (o endereço convencionado para indicar nulo) e passam a ter outros valores da posição de memória onde cadastring
foi alocada (algumas já poderiam até já estar alocadas por interning, mas isso é outra estória).
Podemos concluir que value types que sobrevivem a execução de um método são armazenados no heap. Esta é a conclusão correta. E é impressionante como o mito da relação entre alocação e forma de representação do objeto sobrevive.
#Memória virtual
A coisa fica um pouco mais complicada porque qualquer dado pode nem estar na memória, pode estar em uma forma de armazenamento de massa. Há um outro equívoco comum em achar que tudo o que mandamos alocar na memória, vai parar na memória física. Ela vai para a memória virtual que pode estar fisicamente em um disco rígido, por exemplo. Mas isso é outro assunto.
#Conclusão
"Todo mundo" "sabe" onde o dado é alocado e isto costuma ser irrelevante. Saber que o importante é o tempo de vida do objeto nem sempre faz parte da ciência do programador.
Outras estratégias são possíveis. Ressalto que tudo isso é detalhe de implementação atual da CLR.
Lembre-se sempre que a forma ou tipo de um valor e o "local de armazenagem" são conceitos distintos.
Veja esta resposta para entender melhor o stack e o heap.
Referências: