类型基础及背后的工作原理   数据在内存中的分配与传递    值类型和引用类型它们在内存分配与传递上的区别

内存分配

首先要了解一下内存中栈和堆的概念。

    栈（Stack）

##栈是一种先进后出的内存结构。

方法的调用追踪就是在栈上完成的。比如我们有一个main方法（程序入口）， 在main方法中会调用一个GetPoint的方法。在线程执行时，会将main方法压入栈底（包括编译好的方法指令，参数，和方法内部变量），然后再将GetPoint的方法压入栈底，GetPoint中没有调用其它方法，压栈完毕。出栈顺序是先进后出，也就是后进先出，栈顶的方法GetPoint先执行完毕，然后出栈，所占内存清空，接着main方法执行后出栈，所占内存清空。

//示意图：自己脑补吧...

从上面方法的压栈出栈中可以看出：

 ##栈只能在一端对数据进行操作，也就是栈顶端进行操作。’

 ##栈也是一种内存自我管理的结构，压栈自动分配内存，出栈自动清空所占内存。

另外值得注意的两点：

##栈中的内存不能动态请求，只能为大小确定的数据分配内存，灵活性不高，但是栈的执行效率很高。

##栈的可用空间并不大，所以我们在操作分配到栈上的数据时要注意数据的大小带来的影响。

堆（Heap）

 ##堆与栈有所区别，堆在C#中用于存储实实例对象，能存储大量数据，而且堆能够动态分配存储空间。

##相比栈只能在一端操作，堆中的数据可以随意存取。

##但堆的结构使得堆的执行效率不如栈高，而且不能自动回收使用过的对象。对于堆中的内存回收，C++程序员需要进行手动回收，这也是C++编程值得注意的一点，否则很容易造成内存溢出。而对于.NET程序员，平台提供了垃圾回收(GC)机制，可以自动回收堆中过期的对象（实现原理大概就是当发现没有“引用”指向此对象时，表明此对象可以回收，此文主要讨论值类型和引用类型，对于GC，感兴趣的可以搜索相关资料）。

值类型和引用类型在栈和堆中的分配

    这儿有两个原则：

1.创建引用类型时，runtime会为其分配两个空间，一块空间分配在堆上，存储引用类型本身的数据，另一个块空间分配在栈上，存储对堆上数据的引用，实际上存储的堆上的内存地址，也就是指针。

2.创建值类型时， runtime会为其分配一个空间，这个空间分配在变量创建的地方，如：

##如果值类型是在方法内部创建，则跟随方法入栈，分配到栈上存储。

##如果值类型是引用类型的成员变量，则跟随引用类型，存储在堆上。(对象的成员变量)

在此我们举例说明。

定义一个Point类：

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

StartProgram类，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：假设主线程从Start()进入执行，我们从分析一下方法中的变量在内存中的大致分配情况，不深究细节。

首先将Start()方法指令压入栈底，然后压入局部变量pointX；紧接着将InitialPoint()方法压入栈底，形参pointX压入栈底，在堆上实例化Point对象(包括其成员变量PointX和PointY)，并在栈上创建point变量指向堆上的Point对象，最后给成员变量PointX赋值，参考图如下：

注：注意不要混淆code中的pointx，虽然变量名相同，但是它们是不同的变量。

数据传递

   按值传递原则

   在C#中数据传递默认按值传递，先看一个示例。

现在有一个结构体PointSturct， 一个类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; }   }

并在一个方法中执行执行以下代码：

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行代码分别创建了一个结构体pointStruct1和一个类实例pointClass1, 结合上面的内存分配规则，对于pointSturct1，会在栈上分配内存存储其数据本身，对于pointClass1，会在堆上分配内存存储实例，且在栈上存储指向堆上实例的指针，参考图如下：

经过执行5，6行代码后，内存分配应该是怎样的呢？ 对于值类型（pointStruct1），会在栈上开辟一块新的空间，将数据完全复制过去，因此pointStruct2和pointStruct1是互相独立的，对其中一个的修改不会影响到另一个；对于引用类型（pointClass1），也会在栈上开辟一个新的空间，将栈上的数据（指向堆上实例的指针）复制到新的空间， 但是注意，此处复制的是指针，也就是说栈上的两个变量pointClass1和pointClass2虽然是不同的空间，但是它们的存储内容---指针（内存地址）， 都是指向堆上的同一实例，所以当通过pointClass2对实例的数据进行修改以后，通过pointClass1再访问实例的数据，将会是修改过的数据，反之亦然，参考图如下：

  参数传递

当程序中进行参数传递的时候，也是默认按值传递，值类型复制数据本身，形成独立的数据块，引用类型复制引用，指向同一实例。简单一点就是传递时复制栈上的数据到新的栈上空间。

我们将之前的StartProgram类中的方法改成如下 ：

class StartProgram
{void Start(){double pointX1 = 100.1;var point1 = new Point();point1.PointX = 200.1;InitialPoint(pointX1, point1);//值类型复制数据本身 对象传递 复制引用，指向同一实例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:pointX1:100.1point1.PointX:300.1  */

示例分析：从输出结果可以看到，pointX1还是原来的值，没有受到pointX2影响，而point1.PointX的值是point2对PointX更改后的值。在内存中，将值类型pointX1传递给pointX2后，在栈上形成两个独立的内存块，因此对pointX2更改后，并不会影响到pointX1；而对于引用类型point1，传递给point2后，它们两块内存存储的指针指向同一实例，因此再InitialPoint()方法内对point2.PointX赋值为300.1后，再Start()方法里面取point1取PointX的值，也是300.1。

既然point1和point2指向同一实例，那么如果我们在InitialPoint()方法的最后将point2设置为null，会不会影响到Start()方法里的point1呢？用point.PointX取值的时候，会不会得到实例为null的异常呢？

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

//将point2设置为null，并不是将堆上的实例变为null，而是设置栈上的point2这块存储指针的内存为null
//栈上point1和point2虽然指向同一实例，但是它们是两块不同的内存，所以将point2设置为null后，point1仍然指向堆上的实例

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

示例分析：还是会得到之前的结果，没有检测到null异常。这不难想象，因为我们将point2设置为null，并不是将堆上的实例变为null，而是设置栈上的point2这块存储指针的内存为null，而栈上point1和point2虽然指向同一实例，但是它们是两块不同的内存，所以将point2设置为null后，point1仍然指向堆上的实例，并且point2设置为null是在对堆上的实例进行更新以后，因此point1.PointX的到的值是更新后的值，参考图如下：

    按引用传递（Ref和Out关键字）

注：Ref和Out的区别在于Ref在传递前需要初始化。

我们知道C#中的Ref和Out关键字可以在值类型的传参上实现跟引用类型一样的效果，那么在引用类型参数上加入ref和out关键字跟默认的引用类型传参有什么区别呢？很多人觉得应该没有什么用，其实不然，我们继续将StartProgram类的方法改为按ref传递，看看会有什么不同。

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:             pointX1:300.1point1 is null*/ }

示例分析：从运行结果可以看到，对于值类型， pointX2对值的更改影响到了pointX1；对于引用类型，将point2设置为null后，point1也变成了null，之前我们没有加ref参数的时候，point2设置为null，并不会影响到point1本身。我们可以看到，通过加入ref和out参数后，在内存中并不是像值传递一样将栈上的数据拷贝一份到新的空间。在这里，我并没有去研究C#对ref和out参数在内存上的实现原理，但是可以想到，要实现这种效果并不难，在按引用传递时我们将栈上的变量的地址（如存储pointX1，point1的内存地址）copy到新的栈内存空间中，这样就可以将新的变量和旧的变量关联起来，达到互相影响的效果。

Summary

   本文从内存中栈和堆的结构特点出发，分析了C#值类型和引用类型在栈和堆上的分配情况，接着分析了数据传递过程，包括按值传递（赋值，参数传递），按引用传递（ref，out关键字），仅供参考。