類型基礎及背後的工作原理 數據在內存中的分配與傳遞 值類型和引用類型它們在內存分配與傳遞上的區別

內存分配

首先要了解一下內存中棧和堆的概念。

棧（Stack）

##棧是一種先進後出的內存結構。

方法的調用追蹤就是在棧上完成的。比如我們有一個main方法（程序入口）， 在main方法中會調用一個GetPoint的方法。在線程執行時，會將main方法壓入棧底（包括編譯好的方法指令，參數，和方法內部變量），然後再將GetPoint的方法壓入棧底，GetPoint中沒有調用其它方法，壓棧完畢。出棧順序是先進後出，也就是後進先出，棧頂的方法GetPoint先執行完畢，然後出棧，所占內存清空，接著main方法執行後出棧，所占內存清空。

//示意圖：自己腦補吧...

從上面方法的壓棧出棧中可以看出：

##棧只能在一端對數據進行操作，也就是棧頂端進行操作。’

##棧也是一種內存自我管理的結構，壓棧自動分配內存，出棧自動清空所占內存。

另外值得註意的兩點：

##棧中的內存不能動態請求，只能為大小確定的數據分配內存，靈活性不高，但是棧的執行效率很高。

##棧的可用空間並不大，所以我們在操作分配到棧上的數據時要註意數據的大小帶來的影響。

堆（Heap）

##堆與棧有所區別，堆在C#中用於存儲實實例對象，能存儲大量數據，而且堆能夠動態分配存儲空間。

##相比棧只能在一端操作，堆中的數據可以隨意存取。

##但堆的結構使得堆的執行效率不如棧高，而且不能自動回收使用過的對象。對於堆中的內存回收，C++程序員需要進行手動回收，這也是C++編程值得註意的一點，否則很容易造成內存溢出。而對於.NET程序員，平臺提供了垃圾回收(GC)機制，可以自動回收堆中過期的對象（實現原理大概就是當發現沒有“引用”指向此對象時，表明此對象可以回收，此文主要討論值類型和引用類型，對於GC，感興趣的可以搜索相關資料）。

值類型和引用類型在棧和堆中的分配

這兒有兩個原則：

1.創建引用類型時，runtime會為其分配兩個空間，一塊空間分配在堆上，存儲引用類型本身的數據，另一個塊空間分配在棧上，存儲對堆上數據的引用，實際上存儲的堆上的內存地址，也就是指針。

2.創建值類型時， runtime會為其分配一個空間，這個空間分配在變量創建的地方，如：

##如果值類型是在方法內部創建，則跟隨方法入棧，分配到棧上存儲。

##如果值類型是引用類型的成員變量，則跟隨引用類型，存儲在堆上。(對象的成員變量)

在此我們舉例說明。

定義一個Point類：

 public class Point
   {
        public double PointX { get; set; }
        public double PointY { get; set; }   
    }

StartProgram類，有方法Start()和InitialPoint()：

  class StartProgram
    {
        void Start()
        {
            double pointX = 100.1;
            InitialPoint(pointX);
        }
        void InitialPoint(double pointX)
        {
            var point = new Point();
            point.PointX = pointX;
        }
    }

示例分析：假設主線程從Start()進入執行，我們從分析一下方法中的變量在內存中的大致分配情況，不深究細節。

首先將Start()方法指令壓入棧底，然後壓入局部變量pointX；緊接著將InitialPoint()方法壓入棧底，形參pointX壓入棧底，在堆上實例化Point對象(包括其成員變量PointX和PointY)，並在棧上創建point變量指向堆上的Point對象，最後給成員變量PointX賦值，參考圖如下：

註：註意不要混淆code中的pointx，雖然變量名相同，但是它們是不同的變量。

數據傳遞

按值傳遞原則

在C#中數據傳遞默認按值傳遞，先看一個示例。

現在有一個結構體PointSturct， 一個類PointClass：

  public struct PointStruct
    {
        public double PointX { get; set; }
        public double PointY { get; set; }   
    }

  public class PointClass
    {
        public double PointX { get; set; }
        public double PointY { get; set; }   
    }

並在一個方法中執行執行以下代碼：

1  void Excute()
2  {
3       var pointStruct1 = new PointStruct();
4       var pointClass1 = new PointClass();
5       var pointStruct2 = pointStruct1;
6       var pointClass2 = pointClass1;
7   }

示例分析：第3，4行代碼分別創建了一個結構體pointStruct1和一個類實例pointClass1, 結合上面的內存分配規則，對於pointSturct1，會在棧上分配內存存儲其數據本身，對於pointClass1，會在堆上分配內存存儲實例，且在棧上存儲指向堆上實例的指針，參考圖如下：

經過執行5，6行代碼後，內存分配應該是怎樣的呢？ 對於值類型（pointStruct1），會在棧上開辟一塊新的空間，將數據完全復制過去，因此pointStruct2和pointStruct1是互相獨立的，對其中一個的修改不會影響到另一個；對於引用類型（pointClass1），也會在棧上開辟一個新的空間，將棧上的數據（指向堆上實例的指針）復制到新的空間， 但是註意，此處復制的是指針，也就是說棧上的兩個變量pointClass1和pointClass2雖然是不同的空間，但是它們的存儲內容---指針（內存地址）， 都是指向堆上的同一實例，所以當通過pointClass2對實例的數據進行修改以後，通過pointClass1再訪問實例的數據，將會是修改過的數據，反之亦然，參考圖如下：

參數傳遞

當程序中進行參數傳遞的時候，也是默認按值傳遞，值類型復制數據本身，形成獨立的數據塊，引用類型復制引用，指向同一實例。簡單一點就是傳遞時復制棧上的數據到新的棧上空間。

我們將之前的StartProgram類中的方法改成如下 ：

class StartProgram
{
   void Start()
   {
      double pointX1 = 100.1;
      var point1 = new Point();
      point1.PointX = 200.1;
      InitialPoint(pointX1, point1);//值類型復制數據本身 對象傳遞 復制引用，指向同一實例
      Console.WriteLine(string.Format("pointX1:{0}", pointX1));
      Console.WriteLine(string.Format("point1.PointX:{0}", point1.PointX));
      Console.ReadKey();
    }
    void InitialPoint(double pointX2, Point point2)
    {
       pointX2 = 300.1;
       point2.PointX = pointX2;
    }
 }
/*Output:pointX1:100.1
         point1.PointX:300.1 
 */

示例分析：從輸出結果可以看到，pointX1還是原來的值，沒有受到pointX2影響，而point1.PointX的值是point2對PointX更改後的值。在內存中，將值類型pointX1傳遞給pointX2後，在棧上形成兩個獨立的內存塊，因此對pointX2更改後，並不會影響到pointX1；而對於引用類型point1，傳遞給point2後，它們兩塊內存存儲的指針指向同一實例，因此再InitialPoint()方法內對point2.PointX賦值為300.1後，再Start()方法裏面取point1取PointX的值，也是300.1。

既然point1和point2指向同一實例，那麽如果我們在InitialPoint()方法的最後將point2設置為null，會不會影響到Start()方法裏的point1呢？用point.PointX取值的時候，會不會得到實例為null的異常呢？

 void InitialPoint(double pointX2, Point point2)
 {
    pointX2 = 300.1;
    point2.PointX = pointX2;
    point2 = null;//

//將point2設置為null，並不是將堆上的實例變為null，而是設置棧上的point2這塊存儲指針的內存為null
//棧上point1和point2雖然指向同一實例，但是它們是兩塊不同的內存，所以將point2設置為null後，point1仍然指向堆上的實例

 }
 /*Output:pointX1:100.1
          point1.PointX:300.1 
 */

示例分析：還是會得到之前的結果，沒有檢測到null異常。這不難想象，因為我們將point2設置為null，並不是將堆上的實例變為null，而是設置棧上的point2這塊存儲指針的內存為null，而棧上point1和point2雖然指向同一實例，但是它們是兩塊不同的內存，所以將point2設置為null後，point1仍然指向堆上的實例，並且point2設置為null是在對堆上的實例進行更新以後，因此point1.PointX的到的值是更新後的值，參考圖如下：

按引用傳遞（Ref和Out關鍵字）

註：Ref和Out的區別在於Ref在傳遞前需要初始化。

我們知道C#中的Ref和Out關鍵字可以在值類型的傳參上實現跟引用類型一樣的效果，那麽在引用類型參數上加入ref和out關鍵字跟默認的引用類型傳參有什麽區別呢？很多人覺得應該沒有什麽用，其實不然，我們繼續將StartProgram類的方法改為按ref傳遞，看看會有什麽不同。

class StartProgram
{void Start()
    {
        double pointX1 = 100.1;
        var point1 = new Point();
        point1.PointX = 200.1;
        InitialPoint(ref pointX1, ref point1);
        Console.WriteLine(string.Format("pointX1:{0}", pointX1));
        if (point1 != null) Console.WriteLine(string.Format("point1.PointX:{0}", point1.PointX));
        else Console.WriteLine(string.Format("point1 is null"));
        Console.ReadKey();
    }
    void InitialPoint(ref double pointX2, ref Point point2)
    {
        pointX2 = 300.1;
        point2.PointX = pointX2;
        point2 = null;
    }
    /*Output:
             pointX1:300.1
             point1 is null
    */
 }

示例分析：從運行結果可以看到，對於值類型， pointX2對值的更改影響到了pointX1；對於引用類型，將point2設置為null後，point1也變成了null，之前我們沒有加ref參數的時候，point2設置為null，並不會影響到point1本身。我們可以看到，通過加入ref和out參數後，在內存中並不是像值傳遞一樣將棧上的數據拷貝一份到新的空間。在這裏，我並沒有去研究C#對ref和out參數在內存上的實現原理，但是可以想到，要實現這種效果並不難，在按引用傳遞時我們將棧上的變量的地址（如存儲pointX1，point1的內存地址）copy到新的棧內存空間中，這樣就可以將新的變量和舊的變量關聯起來，達到互相影響的效果。

Summary

本文從內存中棧和堆的結構特點出發，分析了C#值類型和引用類型在棧和堆上的分配情況，接著分析了數據傳遞過程，包括按值傳遞（賦值，參數傳遞），按引用傳遞（ref，out關鍵字），僅供參考。

值類型和引用類型在棧和堆中的分配