C# 中的 ref 已經(jīng)被放開，或許你已經(jīng)不認識了
一：背景
1. 講故事
最近在翻 netcore 源碼看，發(fā)現(xiàn)框架中有不少的代碼都被 ref 給修飾了，我去，這還是我認識的 ref 嗎？就拿 Span 來說，代碼如下：
public readonly ref struct Span<T>
{
public ref T GetPinnableReference()
{
ref T result = ref Unsafe.AsRef<T>(null);
if (_length != 0)
{
result = ref _pointer.Value;
}
return ref result;
}
public ref T this[int index]
{
get
{
return ref Unsafe.Add(ref _pointer.Value, index);
}
}
}是不是到處都有 ref，在 struct 上有，在 local variable 也有，在 方法簽名處 也有，在 方法調用處 也有，在 屬性 上也有， 在 return處 也有，簡直是應有盡有，太????啦，那這一篇我們就來聊聊這個奇葩的 ref。
二：ref 各場景下的代碼解析
1. 動機
不知道大家有沒有發(fā)現(xiàn)，在 C# 7.0 之后，語言團隊對性能這一塊真的是前所未有的重視，還專門為此出了各種類和底層支持，比如說 Span, Memory，ValueTask，還有本篇要介紹的ref。
在大家傳統(tǒng)的認知中 ref 是用在方法參數(shù)上，用于給 值類型 做引用傳值，一個是為了大家業(yè)務上需要多次原地修改的情況，二個是為了避免值類型的copy引發(fā)的性能開銷，不知道是哪一位大神腦洞大開，將 ref 應用在你所知道的代碼各處，最終目的都是盡可能的提升性能。
2. ref struct 分析
從小就被教育 值類型分配在棧上，引用類型是在堆上，這話也是有問題的，因為值類型也可以分配在堆上，比如下面代碼的 Location。
public class Program
{
public static void Main(string[] args)
{
var person = new Person() { Name = "張三", Location = new Point() { X = 10, Y = 20 } };
Console.ReadLine();
}
}
public class Person
{
public string Name { get; set; }
public Point Location { get; set; } //分配在堆上
}
public struct Point
{
public int X { get; set; }
public int Y { get; set; }
}其實這也是很多新手朋友學習值類型疑惑的地方，可以用 windbg 到托管堆找一下 Person 問問看，如下代碼：
0:000> !dumpheap -type Person
Address MT Size
0000010e368aadb8 00007ffaf50c2340 32
0:000> !do 0000010e368aadb8
Name: ConsoleApp2.Person
MethodTable: 00007ffaf50c2340
EEClass: 00007ffaf50bc5e8
Size: 32(0x20) bytes
File: E:\net5\ConsoleApp1\ConsoleApp2\bin\Debug\netcoreapp3.1\ConsoleApp2.dll
Fields:
MT Field Offset Type VT Attr Value Name
00007ffaf5081e18 4000001 8 System.String 0 instance 0000010e368aad98 <Name>k__BackingField
00007ffaf50c22b0 4000002 10 ConsoleApp2.Point 1 instance 0000010e368aadc8 <Location>k__BackingField
0:000> dp 0000010e368aadc8
0000010e`368aadc8 00000014`0000000a 00000000`00000000上面代碼最后一行 00000014`0000000a 中的 14 和 a 就是 y 和 x 的值，穩(wěn)穩(wěn)當當?shù)拇娣旁诙阎?，如果你還不信就看看 gc 0代堆的范圍。
0:000> !eeheap -gc
Number of GC Heaps: 1
generation 0 starts at 0x0000010E368A1030
generation 1 starts at 0x0000010E368A1018
generation 2 starts at 0x0000010E368A1000
ephemeral segment allocation context: none
segment begin allocated size
0000010E368A0000 0000010E368A1000 0000010E368B55F8 0x145f8(83448)從最后一行可看出，剛才的 0000010e368aadc8 確實是在 0 代堆 0x0000010E368A1030 - 0000010E368B55F8 的范圍內(nèi)。
接下來的問題就是能不能給 struct 做一個限制，就像泛型約束一樣，不準 struct 分配在堆上，有沒有辦法呢？辦法就是加一個 ref 限定即可，如下圖：
圖片
從錯誤提示中可以看出，有意讓 struct 分配到堆上的操作都是嚴格禁止的，要想過編譯器只能將 class person 改成 ref struct person，也就是文章開頭 Span 和 this[int index] 這樣，動機可想而知，一切都是為了性能。
3. ref method 分析
給方法的參數(shù)傳引用地址，我想很多朋友都已經(jīng)輕車熟路了，比如下面這樣：
public static int GetNum(ref int i)
{
return i;
}現(xiàn)在大家可以試著跳出思維定勢，既然可以往方法內(nèi)仍 引用地址 ，那能不能往方法外拋 引用地址 呢？如果這也能實現(xiàn)就比較有意思了，我可以對集合內(nèi)的某一些數(shù)據(jù)進行引用地址返回，在方法外照樣可以修改這些返回值，畢竟傳來傳去都是引用地址，如下代碼所示：
public class Program
{
public static void Main(string[] args)
{
var nums = new int[3] { 10, 20, 30 };
ref int num = ref GetNum(nums);
num = 50;
Console.WriteLine($"nums= {string.Join(",",nums)}");
Console.ReadLine();
}
public static ref int GetNum(int[] nums)
{
return ref nums[2];
}
}
圖片
可以看到，數(shù)組的最后一個值已經(jīng)由 30 -> 50 了，有些朋友可能會比較驚訝，這到底是怎么玩的，不用想就是引用地址到處漂，不信的話，看看 IL 代碼咯。
.method public hidebysig static
int32& GetNums (
int32[] nums
) cil managed
{
// Method begins at RVA 0x209c
// Code size 13 (0xd)
.maxstack 2
.locals init (
[0] int32&
)
// {
IL_0000: nop
// return ref nums[2];
IL_0001: ldarg.0
IL_0002: ldc.i4.2
IL_0003: ldelema [System.Runtime]System.Int32
IL_0008: stloc.0
// (no C# code)
IL_0009: br.s IL_000b
IL_000b: ldloc.0
IL_000c: ret
} // end of method Program::GetNums
.method public hidebysig static
void Main (
string[] args
) cil managed
{
IL_0013: ldloc.0
IL_0014: call int32& ConsoleApp2.Program::GetNums(int32[])
IL_0019: stloc.1
IL_001a: ldloc.1
IL_001b: ldc.i4.s 50
IL_003e: pop
IL_003f: ret
} // end of method Program::Main可以看到，到處都是 & 取值運算符，更直觀一點的話用 windbg 看一下。
0:000> !clrstack -a
OS Thread Id: 0x7040 (0)
000000D4E777E760 00007FFAF1C5108F ConsoleApp2.Program.Main(System.String[]) [E:\net5\ConsoleApp1\ConsoleApp2\Program.cs @ 28]
PARAMETERS:
args (0x000000D4E777E7F0) = 0x00000218c9ae9e60
LOCALS:
0x000000D4E777E7C8 = 0x00000218c9aeadd8
0x000000D4E777E7C0 = 0x00000218c9aeadf0
0:000> dp 0x00000218c9aeadf0
00000218`c9aeadf0 00000000`00000032 00000000`00000000上面代碼處的 0x00000218c9aeadf0 就是 num 的引用地址，繼續(xù)用 dp 看一下這個地址上的值為 16進制的32，也就是十進制的 50 哈。
三：總結
總的來說，netcore 就是在當初盛行的 云計算 和 虛擬化 時代誕生，基因和使命促使它必須要優(yōu)化優(yōu)化再優(yōu)化，再小的螞蟻也是肉，最后就是 C# 大法 ????
