[.NET大牛之路 019] C# 基础:理解装箱与拆箱

前面我们讲到 .NET 平台支持的两大数据类型:值类型和引用类型。值类型比引用类型更高效,因为它没有指针引用,不用分配在托管堆中,也不用被 GC 回收。但有时候你可能偶尔需要将一种类型的变量表示为另一种类型的变量。为此,C# 提供了装箱拆箱的机制。

01 理解装箱

简单地说,装箱就是将一个值类型的数据存储在一个引用类型的变量中。

假设你一个方法中创建了一个 int 类型的本地变量,你要将这个值类型表示为一个引用类型,那么就表示你对这个值进行了装箱操作,如下所示:

static void SimpleBox()
{
  int myInt = 25;

  // 装箱操作
  object boxedInt = myInt;
}

确切地说,装箱的过程就是将一个值类型分配给 Object 类型变量的过程。当你装箱一个值时,CoreCLR 会在堆上分配一个新的对象,并将该值类型的值复制到该对象实例。返回给你的是一个在托管堆中新分配的对象的引用。

02 理解拆箱

反过来,将 Object 引用类型变量的值转换回栈中相应的值类型的过程则称为拆箱

从语法上讲,拆箱操作看起来就像一个正常的转换操作。然而,其语义是完全不同的。CoreCLR 首先验证接收的数据类型是否等同于被装箱的类型,如果是,它就把值复制回基于栈存储的本地变量中。

例如,如果下面的 boxedInt 的底层类型确实是 int,那就完成了拆箱操作:

static void SimpleBoxUnbox()
{
  int myInt = 25;

  // 装箱操作
  object boxedInt = myInt;

  // 拆箱操作
  int unboxedInt = (int)boxedInt;
}

记住,与执行典型的类型转换不同,你必须将其拆箱到一个恰当的数据类型中。如果你试图将一块数据拆箱到不正确的数据类型中,将会抛出 InvalidCastException 异常。为了安全起见,如果你不能保证 Object 类型背后的类型,最好使用 try/catch 逻辑把拆箱操作包起来,尽管这样会有些麻烦。考虑下面的代码,它将抛出一个错误,因为你正试图将装箱的 int 类型拆箱成一个 long 类型:

static void SimpleBoxUnbox()
{
  int myInt = 25;

  // 装箱操作
  object boxedInt = myInt;

  // 拆箱到错误的数据类型,将触发运行时异常
  try
  {
    long unboxedLong = (long)boxedInt;
  }
  catch (InvalidCastException ex)
  {
    Console.WriteLine(ex.Message);
  }
}

03 生成的 IL 代码

当 C# 编译器遇到装箱/拆箱语法时,它会生成包含装箱/拆箱操作的 IL 代码。如果你用 ildasm.exe 查看编译的程序集,你会看到装箱和拆箱操作对应的 box unbox 指令:

.method assembly hidebysig static
    void  '<<Main>$>g__SimpleBoxUnbox|0_0'() cil managed
{
  .maxstack  1
  .locals init (int32 V_0, object V_1, int32 V_2)
    IL_0000:  nop
    IL_0001:  ldc.i4.s   25
    IL_0003:  stloc.0
    IL_0004:  ldloc.0
    IL_0005:  box        [System.Runtime]System.Int32
    IL_000a:  stloc.1
    IL_000b:  ldloc.1
    IL_000c:  unbox.any  [System.Runtime]System.Int32
    IL_0011:  stloc.2
    IL_0012:  ret
  } // end of method '<Program>$'::'<<Main>$>g__SimpleBoxUnbox|0_0'

乍一看,装箱/拆箱似乎是一个没啥用的语言特性,学术性大于实用性。毕竟,你很少需要在一个本地 Object 变量中存储一个本地值类型。然而,事实是装箱/解箱过程是相当有用的,因为它允许你假设一切都可以被当作 Object 类型来处理,而 CoreCLR 会自动帮你处理与内存有关的细节。

04 实际应用

让我们来看看装箱/拆箱的实际应用,我们以 C# 的 ArrayList 类为例,用它来保存一批在栈中存储的整型数据。ArrayList 类的相关方法成员列举如下:

public class ArrayList : IList, ICloneable
{
  ...
  public virtual int Add(object? value);
  public virtual void Insert(int index, object? value);
  public virtual void Remove(object? obj);
  public virtual object? this[int index] { get; set; }
}

请注意,上面 ArrayList 的方法都是对 Object 类型数据进行操作。 ArrayList 是为操作对象(代表任何类型)而设计的,而对象是在托管堆上分配的数据。请考虑下面代码:

static void WorkWithArrayList()
{
  // 当传递给对象的方法时,值类型会自动被装箱
  ArrayList myInts = new ArrayList();
  myInts.Add(10);
}

尽管你直接将数字数据传入需要 Object 参数的方法中,但运行时自动将分配在栈中的数据装箱。如果你想使用索引器从 ArrayList 中检索一条数据,你必须使用转换操作将堆分配的对象拆箱为栈分配的整型,因为 ArrayList 的索引器返回的是 Object 类型,而不是 int 类型。

static void WorkWithArrayList()
{
  // 当传递给需要对象参数的方法时,值类型就自动被装箱
  ArrayList myInts = new ArrayList();
  myInts.Add(10);

  // 当对象被转换回基于栈存储的数据时,就会发生拆箱
  int i = (int)myInts[0];

  // 由于 WriteLine() 需要的 object 参数,又重新装箱了
  Console.WriteLine("Value of your int: {0}", i);
}

在调用 ArrayList.Add() 之前,在栈中分配的 int 数值被装箱了,所以它可以被传入参数为 Object 类型的方法中。从 ArrayList 中检索到 Object 类型的数据时,通过转换操作,它就被拆箱成 int 类型。最后,当它被传递给 Console.WriteLine() 方法时,又被装箱了,因为这个方法是对 Object 类型的变量进行操作。

05 小结

从程序员的角度来看,装箱和拆箱是很方便的,我们不需要手动去复制和转移内存中的值类型和引用类型的数据。

但装箱和拆箱背后的栈/堆内存转移也带来了性能问题。为了理解性能问题,请思考一下对一个简单的整型数进行装箱和拆箱所需要的步骤:

  1. 在托管堆中分配一个新对象;
  2. 在栈中的数据值被转移到该托管堆中的对象上;
  3. 当拆箱时,存储在堆中对象上的值被转移回栈中;
  4. 堆上未使用的对象将最终被 GC 回收。

尽管很多时候装箱和拆箱操作不会在性能方面造成重大影响,但如果一个像 ArrayList 这样的集合包含成千上万条数据,而你的程序又会频繁操作这些数据,性能的影响还是会很明显的。

所以,我们平时在编程时应当尽量避免发生装箱和拆箱操作。比如对于上面 ArrayList 的示例,如果集合元素类型是一致的,则应当使用泛型的集合类型,比如改用 List<T> LinkedList<T> 等。

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