一看就懂：圖解C#中的值類型、引用類型、棧、堆、ref、out
C# 的類型系統(tǒng)可分為兩種類型，一是值類型，一是引用類型，這個每個C#程序員都了解。還有托管堆，棧，ref，out等等概念也是每個C#程序員都會接觸到的概念，也是C#程序員面試經(jīng)?？嫉降闹R，隨便搜搜也有無數(shù)的文章講解相關(guān)的概念，貌似沒寫一篇值類型,引用類型相關(guān)博客的不是好的C#程序員。我也湊個熱鬧，試圖徹底講明白相關(guān)的概念。
程序執(zhí)行的原理
要徹底搞明白那一堆概念及其它們之間的關(guān)系似乎并不是一件容易的事，這是因為大部分C#程序員并不了解托管堆（簡稱“堆”）和線程棧（簡稱“棧”），或者知道它們，但了解得并不深入，只知道：引用類型保存在托管堆里，而值類型“通常”保存在棧里。要搞明白那一堆概念的關(guān)系，我認為先要明白程序執(zhí)行的基本原理，從而理解棧和托管堆的作用，才能理清它們的關(guān)系?？紤]下面代碼，Main調(diào)用Method1，Method1調(diào)用Method2：
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
var num = 120;
Method1(num);
}
static void Method1(int num)
{
var num2 = num + 250;
Method2(num2);
Console.WriteLine(num);
}
static void Method2(int i)
{
Console.WriteLine(i);
}
}
大家都知道Windows程序通常是多個線程的，這里不考慮多線程的問題。程序由Main方法進入開始執(zhí)行，這時這個（主）線程會分配得到一個1M大小的只屬于它自己的線程棧。這1M的的?？臻g用于向方法傳遞參數(shù)，定義局部變量。所以在Main方法進入Method1前，大家心理面要有一個”內(nèi)存圖“：把num壓入線程棧，如下圖：
接著把num作為參數(shù)傳入Method1方法，同樣在Method1內(nèi)定義一個局部變量num2，調(diào)用加方法得到最后的值，所以在進入Method2前，“內(nèi)存圖”如下，num是參數(shù)，num2是局部變量
接著調(diào)用Method2的過程雷同，然后退出Method2方法，回到上圖的樣子，再退出Method1方法，再回到第一副圖的樣子，然后退出程序，整個過程如下圖：
所以去除那些if，for，多線程等等概念，只保留對象內(nèi)存分配相關(guān)概念的話，程序的執(zhí)行可以簡單總結(jié)為如下：
程序由Main方法進入執(zhí)行，并不斷重復(fù)著“定義局部變量，調(diào)用方法（可能會傳參），從方法返回”，最后從Main方法退出。在程序執(zhí)行過程中，不斷壓入?yún)?shù)和局部變量到線程棧里，也不斷的出棧。
注意，其實壓入棧的還有方法的返回地址等，這里忽略了。
引用類型和堆
上面的例子我只用了一種簡單的int值類型，目的是為了只關(guān)注線程棧的壓棧（生長）和出棧（消亡）。很明顯C#還有種引用類型，引入引用類型，再考慮上面的問題，看下面代碼：
static void Main(string[] args)
{
var user = new User { Age = 15 };
var num = 23;
Console.WriteLine(user.Age);
Console.WriteLine(num);
}
class User
{
public int Age;
}
我想很多人都應(yīng)該知道，這時應(yīng)該引入托管堆的概念了，但這里我想跟上面一樣，先從棧的角度去考慮問題，所以在調(diào)用WriteLine前，“內(nèi)存圖”應(yīng)該是這樣的（地址是亂寫的）：
這也就是人們常說的：對于引用類型，棧里保存的是指向在堆里的實例對象的地址（指針，引用）。既然只是個地址，那么要獲取一個對象的實例應(yīng)該有一個根據(jù)地址或?qū)ふ覍ο蟮牟襟E，而事實正是這樣，如果Console.WriteLine(num)，這樣獲取棧里的num的值給WriteLine方法算一步的話，要獲取上面user的實例對象，在運行時是要分兩步的，也就是多了根據(jù)地址去尋找托管堆里實例對象的字段或方法的步驟。IL反編譯上面的Main方法,刪去一些無關(guān)代碼后:
//load local 0=>獲取局部變量0(是一個地址)
IL_0012: ldloc.0
// load field => 將指定對象中字段的值推送到堆棧上。
IL_0013: ldfld int32 CILDemo.Program/User::Age
IL_0018: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(int32)
//load local 1=>獲取局部變量1(是一個值)
IL_001e: ldloc.1
IL_001f: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(int32)
第二個WriteLine方法前，只需要一個ldloc.1（load local 1）讀取局部變量1指令即可獲取值給WriteLine，而第一個WriteLine前需要兩條指令完成這個任務(wù)，就是上面說的分兩步。
當(dāng)然，大家都知道對我們來說，這是透明的，所以很多人喜歡畫這樣的圖去幫助理解，畢竟，我們是感覺不到那個0x0612ecb4地址存在的。
也有一種說法就是，引用類型分兩段存儲，一是在托管堆里的值（實例對象），二是持有它的引用的變量。對于局部變量（參數(shù)）來說，這個引用就在棧里，而作為類型的字段變量的話，引用會跟隨這個對象。
字段和局部變量（參數(shù)）
上面圖的托管堆，大家應(yīng)該看到，作為值類型的Age的值是保存在托管堆里的，并不是保存在棧里，這也是很多C#新手所犯的錯誤：值類型的值都是保存在棧里。
很明顯他們不知道這個結(jié)論是在我們上面討論程序運行原理時，局部變量（參數(shù)）壓棧和出棧時這個特定的場景下的結(jié)論。我們要搞清楚，就像上面代碼一樣，除了可以定義int類型的num這個局部變量存儲23這個值外，我們還可以在一個類型里定義一個int類型Age字段成員來存儲一個整形數(shù)字，這時這個Age很明顯不是儲存在棧，所以結(jié)論應(yīng)該是：值類型的值是在它聲明的位置存儲的。即局部變量（參數(shù)）的值會在棧里，作為類型成員的話，會跟隨對象。
當(dāng)然，引用類型的值（實例對象）總是在托管堆里，這個結(jié)論是正確的。
ref和out
C#有值類型和引用類型的區(qū)別，再有傳參時有ref和out這兩個關(guān)鍵字使得人們對相關(guān)概念的理解更加模糊。要理解這個問題，還是要從棧的角度去理解。我們分四種情況討論：正常傳遞值類型，正常傳遞引用類型，ref（out）傳遞值類型，ref（out）傳遞引用類型。
注意，對于運行時來說，ref和out是一樣，它們的區(qū)別是C#編譯器對它們的區(qū)別，ref要求初始化好，out沒有要求。因為out沒有要求初始化，所以被調(diào)用的方法不能讀取out參數(shù)，且方法返回前必須賦值。
正常傳遞值類型
static void Main(string[] args)
{
var num = 120;
Method1(num);
Console.WriteLine(num);//輸出=>120
}
static void Method1(int num)
{
Console.WriteLine(num);
num = 180;
}
這種場景大家都熟悉，Method1的那句賦值是不起作用的，如果要畫圖的話，也跟上面第二幅圖類似:
也就是說傳參是把棧里的值復(fù)制到Method1的num參數(shù)，Method1操作的是自己的參數(shù)，對Main的局部變量完全沒有影響，即影響不到屬于Main方法的棧里的數(shù)據(jù)。
正常傳遞引用類型
static void Main(string[] args)
{
var user = new User();
user.Age = 15;
Method2(user);
Debug.Assert(user != null);
Console.WriteLine(user.Age);//輸出=> 18
}
static void Method2(User user)
{
user.Age = 18;
user = null;
}
留意這里的Method2的代碼，把Age設(shè)為18，影響到了Main方法的user，而把user設(shè)為null卻沒有影響。要分析這個問題，還是要先從棧的角度去看，棧圖如下（地址亂寫）：
看到第二幅圖，大家應(yīng)該大概明白了這個事實：無論值類型也好，引用類型也好，正常傳參都是把棧里的值復(fù)制給參數(shù)，從棧的角度看的話，C#默認是按值傳參的。
既然都是“按值傳參”，那么引用類型為什么表現(xiàn)出可以影響到調(diào)用方法的局部變量這個跟值類型不同的表現(xiàn)呢？仔細想想也不難發(fā)現(xiàn)，這個不同的表現(xiàn)不是由傳參方式不同引起的，而是值類型和引用類型的局部變量（參數(shù)）在內(nèi)存的存儲不同引起的。對于Main方法的局部變量user和Method2的參數(shù)user在棧里是各自儲存的，棧里的數(shù)據(jù)（地址，指針，引用）互不影響，但它們都指向同一個在托管堆里的實例對象，而user.Age = 18這一句操作的正是對托管堆里的實例對象的操作，而不是棧里的數(shù)據(jù)（地址，指針，引用）。num = 180操作的是棧里的數(shù)據(jù)，而user.Age = 18卻是托管堆，就是這樣造成了不同的表現(xiàn)。
對于user = null這一句不會響應(yīng)Main的局部變量，看了第三幅圖應(yīng)該也很容易明白，user = null跟user.Age = 18不一樣，user = null是把棧里的數(shù)據(jù)（地址，指針，引用）設(shè)空，所以并不會影響Main的user。
這里再補充一下，對引用類型來說，var user = null，var user = new User()，user1 = user2都會影響棧里的數(shù)據(jù)（地址，指針，引用），第一個會設(shè)null，第二個會得到一個新的數(shù)據(jù)（地址，指針，引用），第三個跟上面?zhèn)鲄⒁粯?，都是棧?shù)據(jù)復(fù)制。
ref（out）傳遞值類型
static void Main(string[] args)
{
var num = 10;
Method1(num);
Console.WriteLine(num);//輸出=> 10
Method3(ref num);
Console.WriteLine(num);//輸出=> 28
}
static void Method1(int num)
{
Console.WriteLine(num);
num = 18;
}
static void Method3(ref int num)
{
Console.WriteLine(num);
num = 28;
}
代碼很簡單，而且輸出應(yīng)該都很清楚，沒有難度。ref的使用看似簡單平常，背后其實是C#為我們做了大部分工作。畫圖的話，“棧圖”如下（地址亂寫）：
看到這圖，不少人應(yīng)該迷惑了，Method3的參數(shù)明明寫的是int類型的num，怎么在棧里卻是一個指針（地址，引用）呢？這其實C#“欺騙”了我們，IL反編譯看看：
可以看到，加了ref（out）的Method3編譯出來的方法參數(shù)是不一樣，再來看看方法里對參數(shù)取值的IL代碼：
//這是Method1的代碼
//load arg 0=>讀取索引0的參數(shù)，直接就是一個值
IL_0001: ldarg.0
//這是Method3的代碼
//load arg 0=>讀取索引0的參數(shù)，這是一個地址
IL_0001: ldarg.0
//將位于上面地址處的 int32 值作為 int32 加載到堆棧上。
IL_0002: ldind.i4
可以看到，同樣是獲取參數(shù)值給WriteLine，Method1只需一個指令，而Method3則需要2個，即多了一個根據(jù)地址去尋值的步驟。不難想到，賦值也有同樣的區(qū)別：
//Method1
//把18放入棧中
IL_0008: ldc.i4.s 18
//store arg=> 把值賦給參數(shù)變量num
IL_000a: starg.s num
//Method3
//load arg 0=>讀取索引0的參數(shù)，這是一個地址
IL_0009: ldarg.0
//把28放入棧中
IL_000a: ldc.i4.s 28
//在給定的地址存儲 int32 值。
IL_000c: stind.i4
沒錯，雖然同樣是num = 5這樣一個對參數(shù)的賦值語句，有沒有ref（out）關(guān)鍵字，實際上運行時發(fā)生的事情是不一樣的。有ref（out）的方法跟上面取值一樣有給定地址然后去操作（這里是賦值）的指令。
看到這里大家應(yīng)該明白，給參數(shù)加了ref（out）后，參數(shù)才是引用傳遞，這時傳遞的是棧地址（指針，引用），否則就是正常的值傳遞--棧數(shù)據(jù)復(fù)制。
ref（out）傳遞引用類型
加了ref（out）的引用類型的參數(shù)有什么奧秘，這個留給大家去思考?？梢钥隙ǖ氖牵€是從棧的角度去考慮的話，跟值類型是沒有區(qū)別的，都是傳遞棧地址。
我個人認為，貌似給引用類型加ref（out）沒什么用處。惡魔
總結(jié)
在考慮這一大堆概念問題時，我們首先要搞明白程序執(zhí)行的基本原理，只不過是棧的生長和消亡的過程。明白這個過程后，要學(xué)會“從棧的角度”去思考問題，那么很多事情將會迎刃而解。為什么叫“值”類型和“引用”類型呢？其實這個“值”和“引用”是從棧的角度去考慮的，在棧里，值類型的數(shù)據(jù)就是值，引用類型在棧里只是一個地址（指針，引用）。還要注意到，變量除了可以是一個局部變量（參數(shù)）外，還可以作為一個類型的字段成員存在。知道這些后，“值類型的對象是存儲在那里？”這些問題應(yīng)該就一清二楚了。最后就是明白C#默認是按值傳參的，也就是把棧里的數(shù)據(jù)賦值給參數(shù)，這跟在同一個方法內(nèi)把一個變量賦值給同一類型的另一個變量是一樣的，而加了ref（out）為什么這個神奇，其實是C#背后做了更多的事情，編譯成不同的IL代碼了。
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