[C#]浅析ref、out参数
[C#]浅析ref、out参数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: 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) .maxst
