关于C#理解装箱与拆箱

目录

1.理解装箱

2.理解拆箱

3.生成的 IL 代码

4.实际应用

5.小结

1.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。

2.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);
  }
} 

3.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 和 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。

4.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，因为这个方法的参数是 Object 类型。

5.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。下面总结一下对一个简单的整型数进行装箱和拆箱所需要的步骤：

在托管堆中分配一个新对象;

在栈中的数据值被转移到该托管堆中的对象上;

当拆箱时，存储在堆中对象上的值被转移回栈中;

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、LinkedList 等。