C#基礎(chǔ)：理解裝箱與拆箱

作者：liamwang 2021-09-06 14:30:34

前面我們講到 .NET 平臺支持的兩大數(shù)據(jù)類型：值類型和引用類型。值類型比引用類型更高效，因?yàn)樗鼪]有指針引用，不用分配在托管堆中，也不用被 GC 回收。

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前面我們講到 .NET 平臺支持的兩大數(shù)據(jù)類型：值類型和引用類型。值類型比引用類型更高效，因?yàn)樗鼪]有指針引用，不用分配在托管堆中，也不用被 GC 回收。但有時候你可能偶爾需要將一種類型的變量表示為另一種類型的變量。為此，C# 提供了裝箱和拆箱的機(jī)制。

1理解裝箱

簡單地說，裝箱就是將一個值類型的數(shù)據(jù)存儲在一個引用類型的變量中。

假設(shè)你一個方法中創(chuàng)建了一個 int 類型的本地變量，你要將這個值類型表示為一個引用類型，那么就表示你對這個值進(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，裝箱的過程就是將一個值類型分配給 Object 類型變量的過程。當(dāng)你裝箱一個值時，CoreCLR 會在堆上分配一個新的對象，并將該值類型的值復(fù)制到該對象實(shí)例。返回給你的是一個在托管堆中新分配的對象的引用。

2理解拆箱

反過來，將 Object 引用類型變量的值轉(zhuǎn)換回棧中相應(yīng)的值類型的過程則稱為拆箱。

從語法上講，拆箱操作看起來就像一個正常的轉(zhuǎn)換操作。然而，其語義是完全不同的。CoreCLR 首先驗(yàn)證接收的數(shù)據(jù)類型是否等同于被裝箱的類型，如果是，它就把值復(fù)制回基于棧存儲的本地變量中。

例如，如果下面的 boxedInt 的底層類型確實(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)行典型的類型轉(zhuǎn)換不同，你必須將其拆箱到一個恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)類型中。如果你試圖將一塊數(shù)據(jù)拆箱到不正確的數(shù)據(jù)類型中，將會拋出 InvalidCastException 異常。為了安全起見，如果你不能保證 Object 類型背后的類型，最好使用 try/catch 邏輯把拆箱操作包起來，盡管這樣會有些麻煩。考慮下面的代碼，它將拋出一個錯誤，因?yàn)槟阏噲D將裝箱的 int 類型拆箱成一個 long 類型：

static void SimpleBoxUnbox() 
{ 
  int myInt = 25; 
 
  // 裝箱操作 
  object boxedInt = myInt; 
 
  // 拆箱到錯誤的數(shù)據(jù)類型，將觸發(fā)運(yùn)行時異常 
  try 
  { 
    long unboxedLong = (long)boxedInt; 
  } 
  catch (InvalidCastException ex) 
  { 
    Console.WriteLine(ex.Message); 
  } 
}

3生成的 IL 代碼

當(dāng) C# 編譯器遇到裝箱/拆箱語法時，它會生成包含裝箱/拆箱操作的 IL 代碼。如果你用 ildasm.exe 查看編譯的程序集，你會看到裝箱和拆箱操作對應(yīng)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，裝箱/拆箱似乎是一個沒啥用的語言特性，學(xué)術(shù)性大于實(shí)用性。畢竟，你很少需要在一個本地 Object 變量中存儲一個本地值類型。然而，事實(shí)是裝箱/解箱過程是相當(dāng)有用的，因?yàn)樗试S你假設(shè)一切都可以被當(dāng)作 Object 類型來處理，而 CoreCLR 會自動幫你處理與內(nèi)存有關(guān)的細(xì)節(jié)。

4實(shí)際應(yīng)用

讓我們來看看裝箱/拆箱的實(shí)際應(yīng)用，我們以 C# 的 ArrayList 類為例，用它來保存一批在棧中存儲的整型數(shù)據(jù)。ArrayList 類的相關(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; } 
}

請注意，上面 ArrayList 的方法都是對 Object 類型數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。ArrayList 是為操作對象(代表任何類型)而設(shè)計(jì)的，而對象是在托管堆上分配的數(shù)據(jù)。請考慮下面代碼：

static void WorkWithArrayList() 
{ 
  // 當(dāng)傳遞給對象的方法時，值類型會自動被裝箱 
  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)行時自動將分配在棧中的數(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象拆箱為棧分配的整型，因?yàn)?ArrayList 的索引器返回的是 Object 類型，而不是 int 類型。

static void WorkWithArrayList() 
{ 
  // 當(dāng)傳遞給需要對象參數(shù)的方法時，值類型就自動被裝箱 
  ArrayList myInts = new ArrayList(); 
  myInts.Add(10); 
 
  // 當(dāng)對象被轉(zhuǎn)換回基于棧存儲的數(shù)據(jù)時，就會發(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 類型的方法中。從 ArrayList 中檢索到 Object 類型的數(shù)據(jù)時，通過轉(zhuǎn)換操作，它就被拆箱成 int 類型。最后，當(dāng)它被傳遞給 Console.WriteLine() 方法時，又被裝箱了，因?yàn)檫@個方法的參數(shù)是 Object 類型。