C# vs Java. Система типов

February 5, 2023 · 16 min read

Software Engineer @ Wiley

Я думаю что изучение C# стоит начать со знакомства с его системой типов и сравнить её с Java ;)

Как это устроено в Java

Тут все просто. У нас есть примитивные типы данных (primitive types) и ссылочные типы (reference types).

java type system

Главное различие состоит в том, что "primitive types" будут расположены в стеке а "reference types" это объекты под которые JVM выделит память в heap.

Стоит понимать, что для "reference types" в стеке тоже будет выделено место под указатель на обект в heap'е.

Все переменные в Java передаются по значению

Т.е. при передаче в функцию значение переменной будет скопировано в новое место в стеке. Отсюда следует, что присваивание нового значение формальному параметру функции не изменит переменную за пределами этой функции.

И тут нужно сделать два уточнения:

"значение переменной будет скопировано в новое место в стеке" - для "reference types" это означает что будет скопирован не сам объект а указатель на него. Объект за пределами функции и внутри нее будет один.
"мы не можем изменить переменную за пределами функции из самой функции" - это справедливо для "primitive types" и для ссылок от "reference types". Если же мы передали объект класса (reference types) в функция, то внутри функции мы можем присвоить значение полю этого объекта и это будет то самое изменение данные за пределами функции.

// передача по значению для "primitive types"
class Example {
    public void doSomething() {
        int x1 = 1;
        int x2 = 2;
        int y = computeEquation(x1, x2);

        // тут мы будем иметь
        // x1 == 1
        // x2 == 2
        // y == 44
    }

    private int computeEquation(int argument_x1, int argument_x2) {
        argument_x1 = 42; // тут мы изменим только argument_x1, значение x1 не изменится
        return argument_x1 + argument_x2; // 42 + 2
    }
}

// передача по значению для "reference types"
class Example {
    class Point {
        int x1;
        int x2;
        Point(int x1, int x2) {
            this.x1 = x1;
            this.x2 = x2;
        }
    }

    public void doSomething() {
        Point point = new Point(1, 2);
        int x3 = 3;
        int y = computeEquation(point, x3);

        // тут мы будем иметь
        // point.x1 == 42
        // point.x2 == 2
        // x3 = 3;
        // y == 45
    }

    private int computeEquation(Point argument_point, int argument_x3) {
        // argument_point передан по значению. но это "reference types"
        // это значит что подменить "point" в "doSomething" мы не можем
        // а вот поля объекта мы можем поменять
        argument_point.x1 = 42;
        argument_x3 = 1; // а вот это поменяется только в пределах текущей функции
        return argument_point.x1 + argument_point.x2 + argument_x3; // 42 + 2 + 1
    }
}

Autoboxing and Unboxing

Суть здесь в том, что примитивные типы расположены в стеке но у джавы есть специальные обертки для примитивных типов Integer, Double, Boolean etc... и компилятор джавы может делать автоматическое преобразование "primitive types and their corresponding object wrapper classes".

int x = 7;
Integer wrappedX = x; // примитивный тип будет запакован автоматически
Integer y = 13; // так тоже будет работать

// еще работает при вызове функции
// int computeEquation(Integer argument_x1, int argument_x2)
int x1 = 42;
Integer x2 = 3;
Integer y = computeEquation(x1, x2); // Autoboxing для x1, Unboxing для x2 и Autoboxing для y

Никуда без NullPointerException

Integer x1 = new Integer(null);
int x2 = x1; // throws java.lang.NullPointerException

String's

Тема строк может быть отдельной большой темой но пару слов про них сказать необходимо.

Строка в Java - неизменяемый объект. Если вам нужно склеить две строки или удалить подстроку то результатом будет уже новая строка.

Java может хранить строки в двух обсластях памяти

string pool - это специальная обсласть памяти отведенная для хранения объектов строк. Имеет следующие особенности:
- Экономит память используя один объект в разных частях программы. Если "привет вам" используется несколько раз то будет "подставлен" использован один и тот же объект. Это безопасно так как строки неизменяемы
- Эту обсласть памяти обрабатывает сборщик мусора (так было не всегда)
- Все строки попадут в string pool кроме тех что созданы с new String
- Можно поместить строку в string pool принудительно String myStr = "hello!!!".intern();
строки в куче - это:
- строки созданные с new String
- для двух одинаковых строк String s1 = new String("привет вам"); и String s2 = new String("привет вам"); будут созданы разные объекты в heap

Вся эта история со string pool должна экономить память. Но нужно быть аккуратным при его использовании через intern так как это может повлиять на производительность.

Массивы

Массимы "primitive types" и "reference types" Java хранит в heap.

int[] x = new int[] { 1, 2, 3, 4 }
// не смотря на то что int - это примитивный тип
// сам массив int[] - это объект в памяти heap

Integer[] x = new Integer[] { 1, 2, 3 };
String[] str = new String[]{"str1", "str2", "str3"};
MyObject[] myArray = new MyObject[42]; // такие массы тоже попадают в heap

Мы не можем поменять размер уже созданного массива. Если нам нужно больше места то создаем новый массив и копируем в него все из старого.

Максимальный арзмер массива - Integer.MAX_VALUE

Java Records

record Rectangle(double length, double width) { }

По большому счету - это синтаксический сахар над классами. Record - это новый тип класса для которого будут автоматически сгенерированны hashCode, equals, toString, он может иметь конструктор и в плане хранения в памяти он все тот же (reference type) class с некоторыми ограничениями на наследование.

Автоматическое определение типа переменной

Компилятор может сам вывести тип переменной. Для этого можно определить тип переменной как var

var limit = 3; // получим int limit

А теперь про C#

В C# значение любого типа можно рассматривать как объект.

Рассмотрим классификацию типов в C# на рисунке ниже. Тут много общего с Java.

c# type system

Аналогично Java, все типы делятся на два типа

"reference type" - как и в Java. Ссылки, указывающие на объекты в куче
"value type" - по своей сути - это все те же примитивные типы "primitive types" из Java но в C# эти типы более функциональные

Рассмотрим чуть подробнее оба типа

reference types

Все просто, объект (class, record, delegate, массив или interface) лежит в куче а в переменной в стеке, поле класса, etc... у нас указатель на объект. Все как в Java. Есть мнение (с аргументами), что это не всегда так.

MyClass mcls = new MyClass();

NOTE: Ключевое слово для System.Object - object

value types

Идея похожа на Java. Если у нас есть простые (примитивные типы) размер которых мы знаем, то мы можем разместить их в стеке. В C# таких "простых" объектов больше чем в Java, например структуры.

Часть из Value Types похожая на Java систему типов - это Simple Types. Integer, Boolean, etc...

int x = 13;
bool flag = false;

enum MyTypes
{
    First,
    Second
}
MyTypes type = MyTypes.First;

NOTE: Все типы в C# являются производными от System.Object. Даже int, который является ключевым словом для System.Int32. А System.Int32 в конечном счете являютется производным от базового типа System.Object.

Boxing and Unboxing

Boxing

преобразование "value types" в объект "reference types". Преобразование в тип object или в любой другой тип интерфейса, реализуемый этим типом значения.

Unboxing

преобразрвание объекта "reference types" в "value types". Явное преобразованием из типа object в тип значение. При распаковке выполняется проверка типа и копирование значения.

В целом - это оцень похоже на Autoboxing и Unboxing в Java.

object value1 = 7; // boxing

int x = 3;
object x1 = x; // boxing

int result = (int) x1; // unboxing

Boxing (unboxing в меньшей степени) влияет на производительность так как тербует нового объекта в куче для хранения значения.

Может порождать следующие исключения:

NullReferenceException - при попытке распокавать null
InvalidCastException - если типы не совместимы

NOTE: Структуры в C# могут реализовывать интерфейсы. При приведении структуры к такому интерфейсу - структура будет упакована (Boxing).

NOTE: приведение struct к object типу приведет к Boxing этой структуры. Гарантия остаться в стеке - ref struct.

Nullable Types

Отдельно стоит поговорить про Nullable Types.

Обычные "Value Type" такие как int, double, bool не могут принимать значение null. Ho! :) если очень хочется, то мы можем использовать следующую конструкцию: System.Nullable<T> или T?

int? someValue = 42; // представляет все значения базового типа T и дополнительное значение NULL
bool? flag = false; // можно присвоить true, false или null
Nullable<double> = 3.14;

для элементов массива

int?[] arr = new int?[10];
arr[0] = 3;
arr[1] = 13;
arr[2] = null;
arr[3] = 42;

проверка типа/значения

int? a = 42;

a.HasValue; // == true, false for null value

a != null; // true, false for a = null

Nullable<T>.Value - выкидывает исключение InvalidOperationException если HasValue возвращает false

Приведение Nullable Types к Value Type

int? x = 42;

int x1 = x ?? -1; // -1 будет использоватсья если x is null

int x2 = x.GetValueOrDefault(-1); // Nullable<T>.GetValueOrDefault()

int x3 = (int)x; // будет работать но выкидывает InvalidOperationException если x is null

операторы возвращают null если один о операндов is null

int? a = 10;
int? b = null;
int? c = 10;

a++;        // a is 11
a = a * c;  // a is 110
a = a + b;  // a is null

Nullable Types могут быть упакованы Boxing & Unboxing по следующим правилам

если HasValue is true - будет упаковано значение примитивного типа
если HasValue is false - создается пустая ссылка

Передача аргументов

По умолчанию, как и в Java, аргументы передаются по значению. Это значит, что для примитивного типа будет скопировано его значение а для ссылки на объект - будет скопирована ссылка.

Но в C# доступна возможность передавать параметры по ссылке.

Следующие модификаторы формальных параметров инициируют передачу параметров в функцию по ссылке

ref - передает параметр по ссылке. Переменная должна быть инициализирована до передачи. Может быть изменена внутри метода. нельзя использовать в первом аргументе метода расширения

out - передает параметр по ссылке. Внутри функции должна быть инициализация переменной. нельзя использовать в первом аргументе метода расширения

in - передает параметр по ссылке но гарантирует, что аргумент не будет изменен. нельзя использовать, если только первый аргумент не является структурой

NOTE: in, ref и out не считаются частью сигнатуры метода

NOTE: in, ref и out нельзя использовать для асинхронные методы, методы итератора

возвращаемые ссылочные значения - вот еще одна странная штука из C#. Мы можем вернуть объет по ссылке из метода.

public ref int getValue() {
    int value = 7;
    return ref value;
}

NOTE: res readonly - запрещается изменять значение

ссылочные локальные переменные - задает ссылку на значения, возвращаемые с помощью return ref.

ref int value = ref MyClass.getValue();

struct & enum

В C# существуют (Value Type) типы Struct Type и Enum Type, которые представляет из себя пользовательские типы данных и размещаются в стеке.

Как аналог для "Struct Type" из мира Java можно привести Java Records, но они просто подвид класса и являются "reference type".

Enum Types - в Java - это тоже "reference type" и хранится в куче.

Если структура объявлена как поле в классе то структура будет размещена в heap а не в стек.

Struct

Структура - это "value type". При создании структуры переменная, которой присвоена структура, содержит фактические данные этой структуры. Если структура присваивается новой переменной, все данные копируются.

public struct Point
{
    public Point(double x, double y)
    {
        X = x;
        Y = y;
    }

    public double X { get; }
    public double Y { get; }

    public override string ToString() {
        return $"({X}, {Y})";
    }
}

Как правило, структурные типы используем в приложениях ориентированных на данные. В приложениях ориентированных на поведение мы используем классы.

readonly структуры не могут быть модифицированы и обязывают иметь все поля структуры как readonly или с init сеттером

public readonly struct Point
{
    public Point(double x, double y)
    {
        X = x;
        Y = y;
    }

    public double X { get; init; }
    public double Y { get; init; }

    public override string ToString() {
        return $"({X}, {Y})";
    }
}

NOTE: Чтобы использовать все преимущества записей Records мы можем использовать record struct и readonly record struct.

NOTE: Параметры по умолчанию для структур можно организовать с помошью конструктора без параметров.

NOTE: Чтобы передать структуру по указателю можно использовать ref, out, in, ref returns.

ref structure types
no-heap guarantee. Экземпляры структуры объявленной как ref struct не могут быть размещены в куче и всегда размещаются в стеке.

ref struct - не может быть полем класса, параметрам async метода, cast to object.

Enum

Перечисление определяет набор именованных целочисленных констант. Enum - это "value type".

enum Ttt // be default - int, начинается с 0
{
    Aaa,
    Bbb,
    Ccc
}

enum Ttt : ushort // adjusted type
{
    Aaa = 0,
    Bbb = 1,
    Ccc = 3
}

Enum with bitmask

Флаги могут быть объеденены с помощью побитовых операций | или &

[Flags]
public enum Days
{
    None      = 0b_0000_0000,  // 0
    Monday    = 0b_0000_0001,  // 1
    Tuesday   = 0b_0000_0010,  // 2
    Wednesday = 0b_0000_0100,  // 4
    Thursday  = 0b_0000_1000,  // 8
    Friday    = 0b_0001_0000,  // 16
    Saturday  = 0b_0010_0000,  // 32
    Sunday    = 0b_0100_0000,  // 64
    Weekend   = Saturday | Sunday
}

Days meetingDays = Days.Monday | Days.Wednesday | Days.Friday;

Примеры как использовать

public enum ABC
{
    A,
    B,
    C
}

Console.WriteLine($"{WABC.A} = {(int)WABC.A}"); // "A = 0"

var x = (ABC)1;
Console.WriteLine($"{x} = {(int)x}"); // "B = 1"

var y = (ABC)42; // out of scope
Console.WriteLine($"{y} = {(int)y}"); // "42 = 42", it works

String's

public sealed class String : ICloneable, IComparable, IComparable<string>,
    IConvertible, IEquatable<string>, System.Collections.Generic.IEnumerable<char>

Строка (reference type) — это последовательная коллекция символов System.Char (UTF-16). Максимальный String размер объекта в памяти составляет 2 ГБ, или около 1 миллиарда символов.

string mystr = "Example string.";

string filePath1 = "C:\\Data\\File.ext";
string filePath2 = @"C:\Data\File.ext"; // @ - экранирование "\"

char[] chars = { 'w', 'o', 'r', 'd' };
string mystr = new string(chars);

NOTE: Оператор == для строк представляют свою реализацию, отличную от стандартной для всех других объектов ссылочного типа. Если сравниваемые ссылки имеют тип System.String, то он сначала сравнит указывают ли ссылки на один тот же объект и если нет, то будет сравнивать две ссылки типа System.String по значению.

интерполяция строк

Специальный знак $ идентифицирует строковый литерал как интерполированную строку.

int a = 1;
int b = 2;
string result = $"a = {a}; b = {b}";
string result2 = $"""a = "{a}"; b = "{b}";""";

// or, with paddings
Console.WriteLine($"|{"Left",-7}|{"Right",7}|");

интернирование строк

C# (как и string pool в Java) помещает строки доступные компилятору в пул. Строки созданные с new создаются в куче и имеют разные указатели.

В runtime мы можем получить указатель на подобнуй строку через String.Intern(string). Также есть признак интернирования String.IsInterned(string).

string a = "hello";
string b = new string(new char[] { 'h', 'e', 'l', 'l', 'o' });
string c = String.Intern(b);

(Object)a == (Object)b; // false
(Object)a == (Object)c; // true

Записи. Records

Records - предоставляет встроенную функциональность для инкапсуляции данных. Generate: Equals, HashCode, ToString. Типы записей могут быть либо ссылочными типами (record class), либо типами значений (record struct).

Java Records - прямой аналог для C# Records.

record class - "reference type"

// Ex1
public record Person(string FirstName, string LastName);

// Ex2, запись с неизменяемыми полями
public record Person
{
    public string FirstName { get; init; } = default!;
    public string LastName { get; init; } = default!;
};

// Ex3, запись с изменяемыми полями
public record Person
{
    public string FirstName { get; set; } = default!;
    public string LastName { get; set; } = default!;
};

record struct - with same as for record class functionality - "value type"

// Ex1
public readonly record struct Point(double X, double Y, double Z);

// Ex2, запись с неизменяемыми полями
public record struct Point
{
    public double X {  get; init; }
    public double Y {  get; init; }
    public double Z {  get; init; }
}

// Ex3, запись с изменяемыми полями
public record struct Point
{
    public double X { get; set; }
    public double Y { get; set; }
    public double Z { get; set; }
}

Positional syntax for property definition

public record Person(string FirstName, string LastName);

public static void Main()
{
    Person person = new("Nancy", "Davolio");
    Console.WriteLine(person);
    // output: Person { FirstName = Nancy, LastName = Davolio }
}

Наследование

public abstract record Person(string FirstName, string LastName);
public record Teacher(string FirstName, string LastName, int Grade) : Person(FirstName, LastName);

public static void Main()
{
    Person teacher = new Teacher("Nancy", "Davolio", 3);
    Console.WriteLine(teacher);
    // output: Teacher { FirstName = Nancy, LastName = Davolio, Grade = 3 }
}

Deconstructor

public abstract record Person(string FirstName, string LastName);
public record Teacher(string FirstName, string LastName, int Grade): Person(FirstName, LastName);

Person teacher = new Teacher("Nancy", "Davolio", 3);
var (fName, lName, grade) = (Teacher)teacher;

Неявные типы. Автоматическое определение типа переменной

Компилятор может сам вывести тип переменной. Для этого можно определить тип переменной как var

var limit = 3; // получим int limit

Aнонимные типы

Когда нет смысла создавать отдельный тип. Generated: ToString, Equals, GetHashCode.

var v = new { Amount = 108, Message = "Hello" };
Console.WriteLine(v.Amount + v.Message);

// or, in LINQ
var productQuery =
        from prod in products
        select new { prod.Color, prod.Price };

// or, for array's
var anonArray = new[] { new { name = "apple", diam = 4 }, new { name = "grape", diam = 1 }};

Анонимные типы — это class типы, которые являются производными непосредственно от object типа, и их нельзя привести к любому типу, кроме object.

Тип времени компиляции и тип времени выполнения

Переменная может иметь разные типы времени компиляции и времени выполнения. Тип времени компиляции является объявленным или выведенным типом переменной в исходном коде. Тип времени выполнения является типом экземпляра, на который ссылается такая переменная.

object anotherMessage = "This is another string of characters";
IEnumerable<char> someCharacters = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz";

В обоих предыдущих примерах используется тип времени выполнения string. Тип времени компиляции в первой строке — object, а во второй — IEnumerable<char>.

Можно почитать

Система типов C#

String Класс

The Java® Language Specification

интересная статья с хабра: "Популярные заблуждения о C#"

Все о String.intern()

Особенности строк в .NET

Руководство по String pool в Java

Как это устроено в Java​

Все переменные в Java передаются по значению​

Autoboxing and Unboxing​

String's​

Массивы​

Java Records​

Автоматическое определение типа переменной​

А теперь про C#​

reference types​

value types​

Boxing and Unboxing​

Nullable Types​

для элементов массива​

проверка типа/значения​

Приведение Nullable Types к Value Type​

Передача аргументов​

struct & enum​

Struct​

Enum​

Enum with bitmask​

String's​

интерполяция строк​

интернирование строк​

Записи. Records​

Неявные типы. Автоматическое определение типа переменной​

Aнонимные типы​

Тип времени компиляции и тип времени выполнения​

Можно почитать​

Как это устроено в Java

Все переменные в Java передаются по значению

Autoboxing and Unboxing

String's

Массивы

Java Records

Автоматическое определение типа переменной

А теперь про C#

reference types

value types

Boxing and Unboxing

Nullable Types

для элементов массива

проверка типа/значения

Приведение Nullable Types к Value Type

Передача аргументов

struct & enum

Struct

Enum

Enum with bitmask

String's

интерполяция строк

интернирование строк

Записи. Records

Неявные типы. Автоматическое определение типа переменной

Aнонимные типы

Тип времени компиляции и тип времени выполнения

Можно почитать