C# 的類型系統可分為兩種類型，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?？嫉降闹R，隨便搜搜也有無數的文章講解相關的概念，貌似沒寫一篇值類型,引用類型相關博客的不是好的C#程序員。我也湊個熱鬧，試圖徹底講明白相關的概念。

程序執行的原理

要徹底搞明白那一堆概念及其它們之間的關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“?！保?，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?！北４嬖跅＠?。要搞明白那一堆概念的關系，我認為先要明白程序執行的基本原理，從而理解棧和托管堆的作用，才能理清它們的關系。考慮下面代碼，Main調用Method1，Method1調用Method2：

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，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”內存圖“：把num壓入線程棧，如下圖：

接著把num作為參數傳入Method1方法，同樣在Method1內定義一個局部變量num2，調用加方法得到最后的值，所以在進入Method2前，“內存圖”如下，num是參數，num2是局部變量

接著調用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，只保留對象內存分配相關概念的話，程序的執行可以簡單總結為如下：

程序由Main方法進入執行，并不斷重復著“定義局部變量，調用方法（可能會傳參），從方法返回”，最后從Main方法退出。在程序執行過程中，不斷壓入參數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：

我想很多人都應該知道，這時應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，所以在調用WriteLine前，“內存圖”應該是這樣的（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該有一個根據地址或尋找對象的步驟，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,刪去一些無關代碼后:

當然，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）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）

上面圖的托管堆，大家應該看到，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論是在我們上面討論程序運行原理時，局部變量（參數）壓棧和出棧時這個特定的場景下的結論。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字，這時這個Age很明顯不是儲存在棧，所以結論應該是：值類型的值是在它聲明的位置存儲的。即局部變量（參數）的值會在棧里，作為類型成員的話，會跟隨對象。

當然，引用類型的值（實例對象）總是在托管堆里，這個結論是正確的。

ref和out

C#有值類型和引用類型的區別，再有傳參時有ref和out這兩個關鍵字使得人們對相關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，它們的區別是C#編譯器對它們的區別，ref要求初始化好，out沒有要求。因為out沒有要求初始化，所以被調用的方法不能讀取out參數，且方法返回前必須賦值。

正常傳遞值類型

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制到Method1的num參數，Method1操作的是自己的參數，對Main的局部變量完全沒有影響，即影響不到屬于Main方法的棧里的數據。

正常傳遞引用類型

留意這里的Method2的代碼，把Age設為18，影響到了Main方法的user，而把user設為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制給參數，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出可以影響到調用方法的局部變量這個跟值類型不同的表現呢？仔細想想也不難發現，這個不同的表現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）在內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user在棧里是各自儲存的，棧里的數據（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，而不是棧里的數據（地址，指針，引用）。num = 180操作的是棧里的數據，而user.Age = 18卻是托管堆，就是這樣造成了不同的表現。

對于user = null這一句不會響應Main的局部變量，看了第三幅圖應該也很容易明白，user = null跟user.Age = 18不一樣，user = null是把棧里的數據（地址，指針，引用）設空，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都會影響棧里的數據（地址，指針，引用），第一個會設null，第二個會得到一個新的數據（地址，指針，引用），第三個跟上面傳參一樣，都是棧數據復制。

ref（out）傳遞值類型

代碼很簡單，而且輸出應該都很清楚，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，不少人應該迷惑了，Method3的參數明明寫的是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是不一樣，再來看看方法里對參數取值的IL代碼：

沒錯，雖然同樣是num = 5這樣一個對參數的賦值語句，有沒有ref（out）關鍵字，實際上運行時發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。

看到這里大家應該明白，給參數加了ref（out）后，參數才是引用傳遞，這時傳遞的是棧地址（指針，引用），否則就是正常的值傳遞--棧數據復制。

ref（out）傳遞引用類型

加了ref（out）的引用類型的參數有什么奧秘，這個留給大家去思考?？梢钥隙ǖ氖?，還是從棧的角度去考慮的話，跟值類型是沒有區別的，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

在考慮這一大堆概念問題時，我們首先要搞明白程序執行的基本原理，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，值類型的數據就是值，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）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，也就是把棧里的數據賦值給參數，這跟在同一個方法內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。