[C#]浅析ref、out参数

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按引用传递的参数算是C#与很多其他语言相比的一大特色，想要深入理解这一概念应该说不是一件容易的事，再把值类型和引用类型给参杂进来的话就变得更加让人头晕了。
经常看到有人把按引用传递和引用类型混为一谈，让我有点不吐不快。再加上前两天碰到的一个有意思的问题，让我更加觉得应该整理整理关于ref和out的内容了。

一、什么是按引用传递

ref和out用起来还是非常简单的，就是在普通的按值传递的参数前加个ref或者out就行，方法定义和调用的时候都得加。
ref和out都是表示按引用传递，CLR也完全不区分ref还是out，所以下文就直接以ref为例来进行说明。

大家都知道，按值传递的参数在方法内部不管怎么改变，方法外的变量都不会受到影响，这从学C语言时候就听老师说过的了。
在C语言里想要写一个Swap方法该怎么做？用指针咯。
那么在C#里该怎么做？虽然也可以用指针，但是更通常也更安全的做法就是用ref咯。

说到这里，有一点需要明确，按值传递的参数到底会不会被改变。
如果传的是int参数，方法外的变量肯定是完完全全不变的咯，可是如果传的是个List呢？方法内部对这个List的所有增删改都会反映到方法外头，方法外查一下Count就能看出来了是吧。
那么传List的这个情况，也代表了所有引用类型参数的情况，方法外的变量到底变没变？
不要听信某些论调说什么“引用类型就是传引用”，不用ref的情况下引用类型参数仍然传的是“值”，所以方法外的变量仍然是不变的。

以上总结起来就是一句话：
按值传递参数的方法永远不可能改变方法外的变量，需要改变方法外的变量就必须按引用传递参数。

PS：不是通过传参的方式传入的变量当然是可以被改变的，本文不对这种情况做讨论。

二、参数传递的是什么

按值传参传的就是值咯，按引用传参传的就是引用咯，这么简单的问题还有啥可讨论的呢。
可是想一想，值类型变量和引用类型变量组合上按值传参和按引用传参，一共四种情况，某些情况下“值”和“引用”可能指的是同一个东西。

先简单地从变量说起吧，一个变量总是和内存中的一个对象相关联。
对于值类型的变量，可以认为它总是包含两个信息，一是引用，二是对象的值。前者即是指向后者的引用。
对于引用类型的变量，可以认为它也包含两个信息，一是引用，二是另一个引用。前者仍然是指向后者的引用，而后者则指向堆中的对象。

所谓的按值传递，就是传递的“二”；按引用传递，就是传递的“一”。
也就是说，在按值传递一个引用类型的时候，传递的值的内容是一个引用。

大概情况类似于这样：

按值传递时就像是这样：

可以看到，不管方法内部对“值”和“B引用”作什么修改，两个变量包含的信息是不会有任何变化的。
但是也可以看到，方法内部是可以通过“B引用”对“引用类型对象”进行修改的，这就出现了前文所说的发生在List上的现象。
而按引用传递时就像是这样：

可以看到，这个时候方法内部是可以通过“引用”和“A引用”直接修改变量的信息的，甚至可能发生这样的情况：

这个时候的方法实现可能是这样的：

void SampleMethod(ref object obj)
{
    //.....
    obj = new object();
    //.....
}

三、从IL来看差异

接下来看一看IL是怎么对待按值或者按引用传递的参数。比如这一段C#代码：

class Class
{
    void Method(Class @class) { }
    void Method(ref Class @class) { }
    // void Method(out Class @class) { }
}

这一段代码是可以正常通过编译的，但是取消注释就不行了，原因前面也提到了，IL是不区分ref和out的。
也正是因为这一种重载的可能性，所以在调用方也必须写明ref或out，不然编译器没法区分调用的是哪一个重载版本。
Class类的IL是这样的：

.class private auto ansi beforefieldinit CsConsole.Class
    extends [mscorlib]System.Object
{
    // Methods
    .method private hidebysig static 
        void Method (
            class CsConsole.Class 'class'
        ) cil managed 
    {
        // Method begins at RVA 0x20b4
        // Code size 1 (0x1)
        .maxstack 8

        IL_0000: ret
    } // end of method Class::Method

    .method private hidebysig static 
        void Method (
            class CsConsole.Class& 'class'
        ) cil managed 
    {
        // Method begins at RVA 0x20b6
        // Code size 1 (0x1)
        .maxstack 8

        IL_0000: ret
    } // end of method Class::Method
} // end of class CsConsole.Class

为了阅读方便，我把原有的默认无参构造函数去掉了。
可以看到两个方法的IL仅仅只有一个&符号的差别，这一个符号的差别也是两个方法可以同名的原因，因为它们的参数类型是不一样的。out和ref参数的类型则是一样的。
现在给代码里加一点内容，让差别变得更明显一些：

class Class
{
    int i;

    void Method(Class @class)
    {
        @class.i = 1;
    }
    void Method(ref Class @class)
    {
        @class.i = 1;
    }
}

现在的IL是这样的：

.class private auto ansi beforefieldinit CsConsole.Class
    extends [mscorlib]System.Object
{
    // Fields
    .field private int32 i

    // Methods
    .method private hidebysig 
        instance void Method (
            class CsConsole.Class 'class'
        ) cil managed 
    {
        // Method begins at RVA 0x20b4
        // Code size 8 (0x8)
        .maxstack 8

        IL_0000: ldarg.1
        IL_0001: ldc.i4.1
        IL_0002: stfld int32 CsConsole.Class::i
        IL_0007: ret
    } // end of method Class::Method

    .method private hidebysig 
        instance void Method (
            class CsConsole.Class& 'class'
        ) cil managed 
    {
        // Method begins at RVA 0x20bd
        // Code size 9 (0x9)
        .maxstack 8

        IL_0000: ldarg.1
        IL_0001: ldind.ref
        IL_0002: ldc.i4.1
        IL_0003: 带ref的方法里多了一条指令“ldind.ref”，关于这条指令MSDN的解释是这样的：stfld int32 CsConsole.Class::i
        IL_0008: ret
    } // end of method Class::Method
} // end of class CsConsole.Class

带ref的方法里多了一条指令“ldind.ref”，关于这条指令MSDN的解释是这样的：

将对象引用作为 O（对象引用）类型间接加载到计算堆栈上。

class Class
{
    void Method(Class @class)
    {
        @class = new Class();
    }
    void Method(ref Class @class)
    {
        @class = new Class();
    }
}

IL是这样的：

.class private auto ansi beforefieldinit CsConsole.Class
    extends [mscorlib]System.Object
{
    // Methods
    .method private hidebysig 
        instance void Method (
            class CsConsole.Class 'class'
        ) cil managed 
    {
        // Method begins at RVA 0x20b4
        // Code size 8 (0x8)
        .maxstack 8

        IL_0000: newobj instance void CsConsole.Class::.ctor()
        IL_0005: starg.s 'class'
        IL_0007: ret
    } // end of method Class::Method

    .method private hidebysig 
        instance void Method (
            class CsConsole.Class& 'class'
        ) cil managed 
    {
        // Method begins at RVA 0x20bd
        // Code size 8 (0x8)
        .maxstack 8

        IL_0000: ldarg.1
        IL_0001: newobj instance void CsConsole.Class::.ctor()
        IL_0006: stind.ref
        IL_0007: ret
    } // end of method Class::Method
} // end of class CsConsole.Class

这一次两方的差别就更大了。
无ref版本做的事很简单，new了一个Class对象然后直接赋给了@class。
但是有ref版本则是先取了ref引用留着待会用，再new了Class，然后才把这个Class对象赋给ref引用指向的地方。
在来看看调用方会有什么差异：

class Class
{
    void Method(Class @class) { }
    void Method(ref Class @class) { }

    void Caller()
    {
        Class @class = new Class();
        Method(@class);
        Method(ref @class);
    }
}

.method private hidebysig 
    instance void Caller () cil managed 
{
    // Method begins at RVA 0x20b8
    // Code size 22 (0x16)
    .maxstack 2
    .locals init (
        [0] class CsConsole.Class 'class'
    )

    IL_0000: newobj instance void CsConsole.Class::.ctor()
    IL_0005: stloc.0
    IL_0006: ldarg.0
    IL_0007: ldloc.0
    IL_0008: call instance void CsConsole.Class::Method(class CsConsole.Class)
    IL_000d: ldarg.0
    IL_000e: ldloca.s 'class'
    IL_0010: cal

差别很清晰，前者从局部变量表取“值”，后者从局部变量表取“引用”。

四、引用与指针

说了这么久引用，再来看一看同样可以用来写Swap的指针。
很显然，ref参数和指针参数的类型是不一样的，所以这么写是可以通过编译的：

unsafe struct Struct
{
    void Method(ref Struct @struct) { }
    void Method(Struct* @struct) { }
}

这两个方法的IL非常有意思：

.class private sequential ansi sealed beforefieldinit CsConsole.Struct
    extends [mscorlib]System.ValueType
{
    .pack 0
    .size 1

    // Methods
    .method private hidebysig 
        instance void Method (
            valuetype CsConsole.Struct& 'struct'
        ) cil managed 
    {
        // Method begins at RVA 0x2050
        // Code size 1 (0x1)
        .maxstack 8

        IL_0000: ret
    } // end of method Struct::Method

    .method private hidebysig 
        instance void Method (
            valuetype CsConsole.Struct* 'struct'
        ) cil managed 
    {
        // Method begins at RVA 0x2052
        // Code size 1 (0x1)
        .maxstack 8

        IL_0000: ret
    } // end of method Struct::Method

} // end of class CsConsole.Struct

ref版本是用了取地址运算符(&)来标记，而指针版本用的是间接寻址运算符(*)，含义也都很明显，前者传入的是一个变量的地址(即引用)，后者传入的是一个指针类型。
更有意思的事情是这样的：

unsafe struct Struct
{
    void Method(ref Struct @struct)
    {
        @struct = default(Struct);
    }
    void Method(Struct* @struct)
    {
        *@struct = default(Struct);
    }
}

.class private sequential ansi sealed beforefieldinit CsConsole.Struct
    extends [mscorlib]System.ValueType
{
    .pack 0
    .size 1

    // Methods
    .method private hidebysig 
        instance void Method (
            valuetype CsConsole.Struct& 'struct'
        ) cil managed 
    {
        // Method begins at RVA 0x2050
        // Code size 8 (0x8)
        .maxstack 8

        IL_0000: ldarg.1
        IL_0001: initobj CsConsole.Struct
        IL_0007: ret
    } // end of method Struct::Method

    .method private hidebysig 
        instance void Method (
            valuetype CsConsole.Struct* 'struct'
        ) cil managed 
    {
        // Method begins at RVA 0x2059
        // Code size 8 (0x8)
        .maxstack 8

        IL_0000: ldarg.1
        IL_0001: initobj CsConsole.Struct
        IL_0007: ret
    } // end of method Struct::Method

} // end of class CsConsole.Struct

两个方法体的IL是一模一样的！可以想见引用的本质到底是什么了吧~？

五、this和引用

这个有趣的问题是前两天才意识到的，以前从来没有写过类似这样的代码：

struct Struct
{
    void Method(ref Struct @struct) { }

    public void Test()
    {
        Method(ref this);
    }
}

上面这段代码是可以通过编译的，但是如果像下面这样写就不行了：

class Class
{
    void Method(ref Class @class) { }

    void Test()
    {
        // 无法将“<this>”作为 ref 或 out 参数传递，因为它是只读的
        Method(ref this);
    }
}

红字部分代码会报出如注释所述的错误。两段代码唯一的差别在于前者是struct(值类型)而后者是class(引用类型)。
前面已经说过，ref标记的参数在方法内部的修改会影响到方法外的变量值，所以用ref标记this传入方法可能导致this的值被改变。
有意思的是，为什么struct里的this允许被改变，而class里的this不允许被改变呢？

往下的内容和ref其实没啥太大关系了，但是涉及到值和引用，所以还是继续写吧：D

MSDN对“this”关键字的解释是这样的：

this 关键字引用类的当前实例

这里的“当前实例”指的是内存中的对象，也就是下图中的“值”或“引用类型对象”：

如果对值类型的this进行赋值，那么“值”被修改，“当前实例”仍然是原来实例对象，只是内容变了。
而如果对引用类型的this进行复制，那么“B引用”被修改，出现了类似于这个图的情况，现在的“当前实例”已经不是原来的实例对象了，this关键字的含义就不再明确。所以引用类型中的this应该是只读的，确保“this”就是指向的“这个”对象。