Ранее мы рассматривали следующие элементарные типы данных: int, byte, double, string, object и др. Также есть сложные типы: структуры, перечисления, классы. Все эти типы данных можно разделить на типы значений, еще называемые значимыми типами, (value types) и ссылочные типы (reference types). Важно понимать между ними различия.

Типы значений (значимые типы):

• Целочисленные типы (byte, sbyte, short, ushort, int, uint, long, ulong)
• Типы с плавающей запятой (float, double)
• Тип decimal
• Тип bool
• Тип char
• Перечисления enum
• Структуры (struct)

Ссылочные типы:

• Тип object
• Тип string
• Классы (class)
• Интерфейсы (interface)
• Делегаты (delegate)

В чем же между ними различия? Для этого надо понять организацию памяти в .NET. Здесь память делится на два типа: стек и куча (heap). Параметры и переменные метода, которые представляют типы значений, размещают свое значение в стеке. Стек представляет собой структуру данных, которая растет снизу вверх: каждый новый добавляемый элемент помещается поверх предыдущего. Время жизни переменных таких типов ограничено их контекстом. Физически стек — это некоторая область памяти в адресном пространстве.

Когда программа только запускается на выполнение, в конце блока памяти, зарезервированного для стека устанавливается указатель стека. При помещении данных в стек указатель переустанавливается таким образом, что снова указывает на новое свободное место. При вызове каждого отдельного метода в стеке будет выделяться область памяти или фрейм стека, где будут храниться значения его параметров и переменных.

Например:

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Calculate(5);
    }
 
    static void Calculate(int t)
    {
        int x = 6;
        int y = 7;
        int z = y + t;
    }
}

Пи запуске такой программы в стеке будут определяться два фрейма — для метода Main (так как он вызывается при запуске программы) и для метода Calculate:

При вызове этого метода Calculate в его фрейм в стеке будут помещаться значения t, x, y и z. Они определяются в контексте данного метода. Когда метод отработает, область памяти, которая выделялась под стек, впоследствии может быть использована другими методами.

Причем если параметр или переменная метода представляет тип значений, то в стеке будет храниться непосредсвенное значение этого параметра или переменной. Например, в данном случае переменные и параметр метода Calculate представляют значимый тип — тип int, поэтому в стеке будут храниться их числовые значения.

Ссылочные типы хранятся в куче или хипе, которую можно представить как неупорядоченный набор разнородных объектов. Физически это остальная часть памяти, которая доступна процессу.

При создании объекта ссылочного типа в стеке помещается ссылка на адрес в куче (хипе). Когда объект ссылочного типа перестает использоваться, в дело вступает автоматический сборщик мусора: он видит, что на объект в хипе нету больше ссылок, условно удаляет этот объект и очищает память — фактически помечает, что данный сегмент памяти может быть использован для хранения других данных.

Так, в частности, если мы изменим метод Calculate следующим образом:

static void Calculate(int t)
{
    object x = 6;
    int y = 7;
    int z = y + t;
}

То теперь значение переменной x будет храниться в куче, так как она представляет ссылочный тип object, а в стеке будет храниться ссылка на объект в куче.

Составные типы

Теперь рассмотим ситуацию, когда тип значений и ссылочный тип представляют составные типы — структуру и класс:

State state1 = new State(); // State - структура, ее данные размещены в стеке
Country country1 = new Country(); // Country - класс, в стек помещается ссылка на адрес в хипе
                                  // а в хипе располагаются все данные объекта country1
struct State
{
    public int x;
    public int y;
}
class Country
{
    public int x;
    public int y;
}

Таким образом, в стеке окажутся все поля структуры state1 и ссылка на объект country1 в хипе.

Но, допустим, в структуре State также определена переменная ссылочного типа Country. Где она будет хранить свое значение, если она определена в типе значений?

State state1 = new State();
Country country1 = new Country();
 
struct State
{
    public int x;
    public int y;
    public Country country = new();
}
class Country
{
    public int x;
    public int y;
}

Значение переменной state1.country также будет храниться в куче, так как эта переменная представляет ссылочный тип:

Копирование значений

Тип данных надо учитывать при копировании значений. При присвоении данных объекту значимого типа он получает копию данных. При присвоении данных объекту ссылочного типа он получает не копию объекта, а ссылку на этот объект в хипе. Например:

State state1 = new State(); // Структура State
State state2 = new State();
state2.x = 1;
state2.y = 2;
state1 = state2;
state2.x = 5; // state1.x=1 по-прежнему
Console.WriteLine(state1.x); // 1
Console.WriteLine(state2.x); // 5
 
Country country1 = new Country(); // Класс Country
Country country2 = new Country();
country2.x = 1;
country2.y = 4;
country1 = country2;
country2.x = 7; // теперь и country1.x = 7, так как обе ссылки и country1 и country2 
                // указывают на один объект в хипе
Console.WriteLine(country1.x); // 7
Console.WriteLine(country2.x); // 7

Так как state1 — структура, то при присвоении state1 = state2 она получает копию структуры state2. А объект класса country1 при присвоении country1 = country2; получает ссылку на тот же объект, на который указывает country2. Поэтому с изменением country2, так же будет меняться и country1.

Ссылочные типы внутри типов значений

Теперь рассмотрим более изощренный пример, когда внутри структуры у нас может быть переменная ссылочного типа, например, какого-нибудь класса:

State state1 = new State();
State state2 = new State();
 
state2.country = new Country();
state2.country.x = 5;
state1 = state2;
state2.country.x = 8; // теперь и state1.country.x=8, так как state1.country и state2.country
                      // указывают на один объект в хипе
Console.WriteLine(state1.country.x); // 8
Console.WriteLine(state2.country.x); // 8
 
 
struct State
{
    public int x;
    public int y;
    public Country country = new(); // выделение памяти для объекта Country
}
class Country
{
    public int x;
    public int y;
}

Переменные ссылочных типов в структурах также сохраняют в стеке ссылку на объект в хипе. И при присвоении двух структур state1 = state2; структура state1 также получит ссылку на объект country в хипе. Поэтому изменение state2.country повлечет за собой также изменение state1.country.

Объекты классов как параметры методов

Организацию объектов в памяти следует учитывать при передаче параметров по значению и по ссылке. Если параметры методов представляют объекты классов, то использование параметров имеет некоторые особенности. Например, создадим метод, который в качестве параметра принимает объект Person:

Person p = new Person { name = "Tom", age = 23 };
ChangePerson(p);
 
Console.WriteLine(p.name); // Alice
Console.WriteLine(p.age); // 23
 
void ChangePerson(Person person)
{
    // сработает
    person.name = "Alice";
    // сработает только в рамках данного метода
    person = new Person { name = "Bill", age = 45 };
    Console.WriteLine(person.name); // Bill
}
 
class Person
{
    public string name = "";
    public int age;
}

При передаче объекта класса по значению в метод передается копия ссылки на объект. Эта копия указывает на тот же объект, что и исходная ссылка, потому мы можем изменить отдельные поля и свойства объекта, но не можем изменить сам объект. Поэтому в примере выше сработает только строка person.name = "Alice".

А другая строка person = new Person { name = "Bill", age = 45 } создаст новый объект в памяти, и person теперь будет указывать на новый объект в памяти. Даже если после этого мы его изменим, то это никак не повлияет на ссылку p в методе Main, поскольку ссылка p все еще указывает на старый объект в памяти.

Но при передаче параметра по ссылке (с помощью ключевого слова ref) в метод в качестве аргумента передается сама ссылка на объект в памяти. Поэтому можно изменить как поля и свойства объекта, так и сам объект:

Person p = new Person { name = "Tom", age = 23 };
ChangePerson(ref p);
 
Console.WriteLine(p.name); // Bill
Console.WriteLine(p.age); // 45
 
void ChangePerson(ref Person person)
{
    // сработает
    person.name = "Alice";
    // сработает
    person = new Person { name = "Bill", age = 45 };
}
 
class Person
{
    public string name = "";
    public int age;
}

Операция new создаст новый объект в памяти, и теперь ссылка person (она же ссылка p из метода Main) будет указывать уже на новый объект в памяти.

C# ref в сравнении с out

Ключевые слова Ref и out в C# используются для передачи аргументов внутри метода или функции. Оба слова указывают на то, что аргумент/параметр передается по ссылке. По умолчанию параметры передаются в метод по значению. Используя эти ключевые слова (ref и out), мы можем передать параметр по ссылке.

Ключевое слово ref

Ключевое слово ref означает, что значение будет передано по ссылке и упаковка/преобразование производится не будет. Это означает, что любые изменения, внесенные в этот аргумент в методе, будут отражены в этой переменной, когда управление вернется к вызывающему методу.

Пример кода

public static string GetNextName(ref int id)
{
    string returnText = "Next-" + id.ToString();
    id += 1;
    return returnText;
}
static void Main(string[] args)
{
    int i = 1;
    Console.WriteLine("Previous value of integer i:" + i.ToString());
    string test = GetNextName(ref i);
    Console.WriteLine("Current value of integer i:" + i.ToString());
}

Вывод

Ключевое слово out

Ключевое слово out передает аргументы по ссылке. Это очень похоже на ключевое слово ref.

Пример кода

public static string GetNextNameByOut(out int id)
{
    id = 1;
    string returnText = "Next-" + id.ToString();
    return returnText;
}
static void Main(string[] args)
{
    int i = 0;
    Console.WriteLine("Previous value of integer i:" + i.ToString());
    string test = GetNextNameByOut(out i);
    Console.WriteLine("Current value of integer i:" + i.ToString());
}

Вывод

Ref в сравнении с Out

Ref	Out
Параметр или аргумент должен быть сначала инициализирован, прежде чем он будет передан в ref.	Инициализация параметра или аргумента перед передачей его в out не является обязательной.
Не требуется присваивать или инициализировать значение параметра (который передается по ref) перед возвратом в вызывающий метод.	Вызываемый метод обязан присвоить или инициализировать значение параметра (который передается в out) перед возвратом в вызывающий метод.
Передача значения параметра по Ref полезна, когда вызываемый метод также должен модифицировать передаваемый параметр.	Объявление параметра в методе out полезно, когда из функции или метода необходимо вернуть несколько значений.
Инициализация значения параметра перед его использованием в вызывающем методе не обязательна.	Значение параметра должно быть инициализировано в вызывающем методе перед его использованием.
Когда мы используем REF, данные могут передаваться двунаправленно.	Когда мы используем OUT, данные передаются только однонаправленно (от вызываемого метода к вызывающему методу).
И ref, и out по-разному обрабатываются во время выполнения программы, а во время компиляции они обрабатываются одинаково.
Свойства не являются переменными, поэтому они не могут быть переданы в качестве параметра out или ref.

Ключевое слово Ref / Out и перегрузка методов

И ref, и out обрабатываются по-разному во время выполнения программы, и одинаково во время компиляции, поэтому методы не могут быть перегружены, если один метод принимает аргумент как ref, а другой — как out.

Пример кода

public static string GetNextName(ref int id)
{
    string returnText = "Next-" + id.ToString();
    id += 1;
    return returnText;
}
public static string GetNextName(out int id)
{
    id = 1;
    string returnText = "Next-" + id.ToString();
    return returnText;
}

Вывод при компиляции кода:

Однако перегрузка методов возможна, когда один метод принимает аргумент ref или out, а другой принимает тот же аргумент без ref или out.

Пример кода

public static string GetNextName(int id)
{
    string returnText = "Next-" + id.ToString();
    id += 1;
    return returnText;
}
public static string GetNextName(ref int id)
{
    string returnText = "Next-" + id.ToString();
    id += 1;
    return returnText;
}

Резюме

Ключевые слова out и ref полезны, когда мы хотим вернуть значение в тех же переменных, которые были переданы в качестве аргумента.