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前面我們講到 .NET 平臺(tái)支持的兩大數(shù)據(jù)類(lèi)型：值類(lèi)型和引用類(lèi)型。值類(lèi)型比引用類(lèi)型更高效，因?yàn)樗鼪](méi)有指針引用，不用分配在托管堆中，也不用被 GC 回收。但有時(shí)候你可能偶爾需要將一種類(lèi)型的變量表示為另一種類(lèi)型的變量。為此，C# 提供了裝箱和拆箱的機(jī)制。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，裝箱就是將一個(gè)值類(lèi)型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)引用類(lèi)型的變量中。
假設(shè)你一個(gè)方法中創(chuàng)建了一個(gè) int 類(lèi)型的本地變量，你要將這個(gè)值類(lèi)型表示為一個(gè)引用類(lèi)型，那么就表示你對(duì)這個(gè)值進(jìn)行了裝箱操作，如下所示：
- static void SimpleBox()
- {
- int myInt = 25;
- // 裝箱操作
- object boxedInt = myInt;
- }
確切地說(shuō)，裝箱的過(guò)程就是將一個(gè)值類(lèi)型分配給 Object 類(lèi)型變量的過(guò)程。當(dāng)你裝箱一個(gè)值時(shí)，CoreCLR 會(huì)在堆上分配一個(gè)新的對(duì)象，并將該值類(lèi)型的值復(fù)制到該對(duì)象實(shí)例。返回給你的是一個(gè)在托管堆中新分配的對(duì)象的引用。
反過(guò)來(lái)，將 Object 引用類(lèi)型變量的值轉(zhuǎn)換回棧中相應(yīng)的值類(lèi)型的過(guò)程則稱(chēng)為拆箱。
從語(yǔ)法上講，拆箱操作看起來(lái)就像一個(gè)正常的轉(zhuǎn)換操作。然而，其語(yǔ)義是完全不同的。CoreCLR 首先驗(yàn)證接收的數(shù)據(jù)類(lèi)型是否等同于被裝箱的類(lèi)型，如果是，它就把值復(fù)制回基于棧存儲(chǔ)的本地變量中。
例如，如果下面的 boxedInt 的底層類(lèi)型確實(shí)是 int，那就完成了拆箱操作：
- static void SimpleBoxUnbox()
- {
- int myInt = 25;
- // 裝箱操作
- object boxedInt = myInt;
- // 拆箱操作
- int unboxedInt = (int)boxedInt;
- }
記住，與執(zhí)行典型的類(lèi)型轉(zhuǎn)換不同，你必須將其拆箱到一個(gè)恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)類(lèi)型中。如果你試圖將一塊數(shù)據(jù)拆箱到不正確的數(shù)據(jù)類(lèi)型中，將會(huì)拋出 InvalidCastException 異常。為了安全起見(jiàn)，如果你不能保證 Object 類(lèi)型背后的類(lèi)型，最好使用 try/catch 邏輯把拆箱操作包起來(lái)，盡管這樣會(huì)有些麻煩?？紤]下面的代碼，它將拋出一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)槟阏噲D將裝箱的 int 類(lèi)型拆箱成一個(gè) long 類(lèi)型：
- static void SimpleBoxUnbox()
- {
- int myInt = 25;
- // 裝箱操作
- object boxedInt = myInt;
- // 拆箱到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)類(lèi)型，將觸發(fā)運(yùn)行時(shí)異常
- try
- {
- long unboxedLong = (long)boxedInt;
- }
- catch (InvalidCastException ex)
- {
- Console.WriteLine(ex.Message);
- }
- }
當(dāng) C# 編譯器遇到裝箱/拆箱語(yǔ)法時(shí)，它會(huì)生成包含裝箱/拆箱操作的 IL 代碼。如果你用 ildasm.exe 查看編譯的程序集，你會(huì)看到裝箱和拆箱操作對(duì)應(yīng)的 box 和 unbox 指令：
- .method assembly hidebysig static
- void '<
$>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 '
$'::'< $>g__SimpleBoxUnbox|0_0'
乍一看，裝箱/拆箱似乎是一個(gè)沒(méi)啥用的語(yǔ)言特性，學(xué)術(shù)性大于實(shí)用性。畢竟，你很少需要在一個(gè)本地 Object 變量中存儲(chǔ)一個(gè)本地值類(lèi)型。然而，事實(shí)是裝箱/解箱過(guò)程是相當(dāng)有用的，因?yàn)樗试S你假設(shè)一切都可以被當(dāng)作 Object 類(lèi)型來(lái)處理，而 CoreCLR 會(huì)自動(dòng)幫你處理與內(nèi)存有關(guān)的細(xì)節(jié)。
讓我們來(lái)看看裝箱/拆箱的實(shí)際應(yīng)用，我們以 C# 的 ArrayList 類(lèi)為例，用它來(lái)保存一批在棧中存儲(chǔ)的整型數(shù)據(jù)。ArrayList 類(lèi)的相關(guān)方法成員列舉如下：
- 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; }
- }
請(qǐng)注意，上面 ArrayList 的方法都是對(duì) Object 類(lèi)型數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。ArrayList 是為操作對(duì)象(代表任何類(lèi)型)而設(shè)計(jì)的，而對(duì)象是在托管堆上分配的數(shù)據(jù)。請(qǐng)考慮下面代碼：
- static void WorkWithArrayList()
- {
- // 當(dāng)傳遞給對(duì)象的方法時(shí)，值類(lèi)型會(huì)自動(dòng)被裝箱
- ArrayList myInts = new ArrayList();
- myInts.Add(10);
- }
盡管你直接將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳入需要 Object 參數(shù)的方法中，但運(yùn)行時(shí)自動(dòng)將分配在棧中的數(shù)據(jù)裝箱。如果你想使用索引器從 ArrayList 中檢索一條數(shù)據(jù)，你必須使用轉(zhuǎn)換操作將堆分配的對(duì)象拆箱為棧分配的整型，因?yàn)?ArrayList 的索引器返回的是 Object 類(lèi)型，而不是 int 類(lèi)型。
- static void WorkWithArrayList()
- {
- // 當(dāng)傳遞給需要對(duì)象參數(shù)的方法時(shí)，值類(lèi)型就自動(dòng)被裝箱
- ArrayList myInts = new ArrayList();
- myInts.Add(10);
- // 當(dāng)對(duì)象被轉(zhuǎn)換回基于棧存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)發(fā)生拆箱
- int i = (int)myInts[0];
- // 由于 WriteLine() 需要的 object 參數(shù)，又重新裝箱了
- Console.WriteLine("Value of your int: {0}", i);
- }
在調(diào)用 ArrayList.Add() 之前，在棧中分配的 int 數(shù)值被裝箱了，所以它可以被傳入?yún)?shù)為 Object 類(lèi)型的方法中。從 ArrayList 中檢索到 Object 類(lèi)型的數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)換操作，它就被拆箱成 int 類(lèi)型。最后，當(dāng)它被傳遞給 Console.WriteLine() 方法時(shí)，又被裝箱了，因?yàn)檫@個(gè)方法的參數(shù)是 Object 類(lèi)型。
從程序員的角度來(lái)看，裝箱和拆箱是很方便的，我們不需要手動(dòng)去復(fù)制和轉(zhuǎn)移內(nèi)存中的值類(lèi)型和引用類(lèi)型的數(shù)據(jù)。
但裝箱和拆箱背后的棧/堆內(nèi)存轉(zhuǎn)移也帶來(lái)了性能問(wèn)題。下面總結(jié)一下對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的整型數(shù)進(jìn)行裝箱和拆箱所需要的步驟：
在托管堆中分配一個(gè)新對(duì)象;
在棧中的數(shù)據(jù)值被轉(zhuǎn)移到該托管堆中的對(duì)象上;
當(dāng)拆箱時(shí)，存儲(chǔ)在堆中對(duì)象上的值被轉(zhuǎn)移回棧中;
堆上未使用的對(duì)象將最終被 GC 回收。
盡管很多時(shí)候裝箱和拆箱操作不會(huì)在性能方面造成重大影響，但如果一個(gè)像 ArrayList 這樣的集合包含成千上萬(wàn)條數(shù)據(jù)，而你的程序又會(huì)頻繁操作這些數(shù)據(jù)，性能的影響還是會(huì)很明顯的。
所以，我們平時(shí)在編程時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量避免發(fā)生裝箱和拆箱操作。比如對(duì)于上面 ArrayList 的示例，如果集合元素類(lèi)型是一致的，則應(yīng)當(dāng)使用泛型的集合類(lèi)型，比如改用 List 、LinkedList 等。
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