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:
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: 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。
简单来说就是从一个地址取了一个对象引用,这个对象引用与无ref版本的“arg.1”相同的,即按值传入的@class。
再来换一个角度看看,把代码改成这样:
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: call instance void CsConsole.Class::Method(class CsConsole.Class&) IL_0015: ret} // end of method Class::Caller
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:
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进行赋值,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。
最后也没想到有啥可多说的,那就到此为止吧~
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