C# 資料在記憶體中的儲存方式：堆疊 vs 堆積、實值/參考型別、Boxing/Unboxing 完整圖解

記憶體模型核心概念

實值型別 vs 參考型別儲存差異

// 實值型別：直接包含資料
int a = 10;           // 堆疊：[10]
struct Point { int X, Y; }
Point p = new Point(); // 堆疊：[0, 0] (預設值)
Point p2 = p;         // 複製：堆疊新增 [0, 0]

// 參考型別：變數存參考，物件在堆積
class Person { public string Name; }
Person p1 = new Person(); // 堆疊：[ref] → 堆積：[Name=null]
Person p2 = p1;           // 複製參考：堆疊新增 [ref] → 同一堆積物件
p2.Name = "John";         // p1.Name 也變 "John"

Boxing 與 Unboxing

int val = 42;
object boxed = val;      // Boxing: 配置堆積物件、複製值、存參考
int unboxed = (int)boxed; // Unboxing: 檢查型別、複製值回堆疊

// 效能影響：配置記憶體、GC 壓力、複製開銷
// 避免：泛型集合 List vs ArrayList、介面呼叫裝箱
List list = new List(); // 無裝箱
list.Add(42);                     // 直接存儲
ArrayList aList = new ArrayList(); // 裝箱
aList.Add(42);                    // 配置物件、複製

記憶體圖解：方法呼叫框架

Thread Stack (向下增長)
┌─────────────────────┐
│ Main Frame          │ ← Stack Pointer (RSP/ESP)
│  - args             │
│  - locals: a=10     │
│  - ref: p1 ─────────┼──┐
└─────────────────────┘  │
                         ▼
Managed Heap
┌─────────────────────┐
│ Person Object       │
│  - TypeHandle       │
│  - SyncBlockIndex   │
│  - Name = "John"    │ ← p1, p2 參考此處
└─────────────────────┘

進階：Span/Memory/stackalloc

// stackalloc: 堆疊配置陣列 (C# 7.2+ 安全語境)
Span stackArray = stackalloc int[100]; // 無 GC、極快、大小受限

// Memory: 可跨非同步邊界的緩衝區抽象
Memory buffer = new byte[4096];
await stream.ReadAsync(buffer); // 直接寫入

// 字串切片零複製
ReadOnlySpan slice = "Hello World".AsSpan(6, 5); // "World"

最佳實務總結

• 小型、不可變、高頻複製 → 結構體 (實值型別)
• 大型、可變、身分識別重要 → 類別 (參考型別)
• 熱路徑避免裝箱：泛型、Span、實值型別介面約束
• 大量短暫物件 → stackalloc / ArrayPool / ObjectPool
• 記憶體診斷：dotnet-gcdump, dotnet-trace, BenchmarkDotNet