C#裝箱和拆箱(Boxing 和 UnBoxing)

1、什麼是裝箱和拆箱?

簡單來說:

  裝箱是將值類型轉換爲引用類型 ;拆箱是將引用類型轉換爲值類型。(網上廣爲流傳) 

C#中值類型和引用類型的最終基類都是Object類型(它本身是一個引用類型)。也就是說,值類型也可以當做引用類型來處理。而這種機制的底層處理就是通過裝箱和拆箱的方式來進行,利用裝箱和拆箱功能,可通過允許值類型的任何值與Object 類型的值相互轉換,將值類型與引用類型鏈接起來 。
例如:

int val = 100; 
object obj = val; 
Console.WriteLine ("對象的值 = {0}", obj); //對象的值 = 100

這是一個裝箱的過程,是將值類型轉換爲引用類型的過程。

int val = 100; 
object obj = val; 
int num = (int) obj; 
Console.WriteLine ("num: {0}", num); //num: 100

這是一個拆箱的過程,是將值類型轉換爲引用類型,再由引用類型轉換爲值類型的過程 。
注:被裝過箱的對象才能被拆箱

2、裝箱和拆箱的內部操作是什麼樣的?

.NET中,數據類型劃分爲值類型和引用(不等同於C++的指針)類型,與此對應,內存分配被分成了兩種方式,一爲棧,二爲堆,注意:是託管堆。
值類型只會在棧中分配。 引用類型分配內存與託管堆。(託管堆對應於垃圾回收。)

裝箱操作:

PS:o 和 i 的改變將互不影響,因爲裝箱使用的是 i 的一個副本。

對值類型在堆中分配一個對象實例,並將該值複製到新的對象中。按三步進行。
1:首先從託管堆中爲新生成的引用對象分配內存(大小爲值類型實例大小加上一個方法表指針和一個SyncBlockIndex)。
2:然後將值類型的數據拷貝到剛剛分配的內存中。
3:返回託管堆中新分配對象的地址。這個地址就是一個指向對象的引用了。
可以看出,進行一次裝箱要進行分配內存和拷貝數據這兩項比較影響性能的操作。

拆箱操作:

PS:o 和 i 的改變將互不影響(已驗證)。

1、首先獲取託管堆中屬於值類型那部分字段的地址,這一步是嚴格意義上的拆箱。
2、將引用對象中的值拷貝到位於線程堆棧上的值類型實例中。
經過這2步,可以認爲是同boxing是互反操作。嚴格意義上的拆箱,並不影響性能,但伴隨這之後的拷貝數據的操作就會同boxing操作中一樣影響性能。

3、爲什麼需要裝箱(爲何要將值類型轉爲引用類型?)

一種最普通的場景是,調用一個含類型爲Object的參數的方法,該Object可支持任意爲型,以便通用。當你需要將一個值類型(如Int32)傳入時,需要裝箱。

另一種用法是,一個非泛型的容器,同樣是爲了保證通用,而將元素類型定義爲Object。於是,要將值類型數據加入容器時,需要裝箱。

4、裝箱/拆箱對執行效率的影響

顯然,從原理上可以看出,裝箱時,生成的是全新的引用對象,這會有時間損耗,也就是造成效率降低。 那該如何做呢?
首先,應該儘量避免裝箱。
比如上例2的兩種情況,都可以避免,在第一種情況下,可以通過重載函數來避免。第二種情況,則可以通過泛型來避免。
當然,凡事並不能絕對,假設你想改造的代碼爲第三方程序集,你無法更改,那你只能是裝箱了。
對於裝箱/拆箱代碼的優化,由於C#中對裝箱和拆箱都是隱式的,所以,根本的方法是對代碼進行分析,而分析最直接的方式是瞭解原理結何查看反編譯的IL代碼。比如:在循環體中可能存在多餘的裝箱,你可以簡單採用提前裝箱方式進行優化。

5、對裝箱/拆箱更進一步的瞭解

裝箱/拆箱並不如上面所講那麼簡單明瞭,比如:裝箱時,變爲引用對象,會多出一個方法表指針,這會有何用處呢?
我們可以通過示例來進一步探討。
舉個例子。

Struct A : ICloneable 
{ 
public Int32 x; 
public override String ToString() { 
return String.Format(”{0}”,x); 
} 
public object Clone() { 
return MemberwiseClone(); 
} 
} 
static void main() 
{ 
A a; 
a.x = 100; 
Console.WriteLine(a.ToString()); 
Console.WriteLine(a.GetType()); 
A a2 = (A)a.Clone(); 
ICloneable c = a2; 
Ojbect o = c.Clone(); 
} 

1:a.ToString()。編譯器發現A重寫了ToString方法,會直接調用ToString的指令。因爲A是值類型,編譯器不會出現多態行爲。因此,直接調用,不裝箱。(注:ToString是A的基類System.ValueType的方法)
2:a.GetType(),GetType是繼承於System.ValueType的方法,要調用它,需要一個方法表指針,於是a將被裝箱,從而生成方法表指針,調用基類的System.ValueType。(補一句,所有的值類型都是繼承於System.ValueType的)。
3:a.Clone(),因爲A實現了Clone方法,所以無需裝箱。
4:ICloneable轉型:當a2爲轉爲接口類型時,必須裝箱,因爲接口是一種引用類型。
5:c.Clone()。無需裝箱,在託管堆中對上一步已裝箱的對象進行調用。
附:其實上面的基於一個根本的原理,因爲未裝箱的值類型沒有方法表指針,所以,不能通過值類型來調用其上繼承的虛方法。另外,接口類型是一個引用類型。對此,我的理解,該方法表指針類似C++的虛函數表指針,它是用來實現引用對象的多態機制的重要依據。

6、如何更改已裝箱的對象

對於已裝箱的對象,因爲無法直接調用其指定方法,所以必須先拆箱,再調用方法,但再次拆箱,會生成新的棧實例,而無法修改裝箱對象。有點暈吧,感覺在說繞口令。還是舉個例子來說:(在上例中追加change方法)

public void Change(Int32 x) { 
this.x = x; 
} 
調用: 
A a = new A(); 
a.x = 100; 
Object o = a; //裝箱成o,下面,想改變o的值。 
((A)o).Change(200); //改掉了嗎?沒改掉。 

沒改掉的原因是o在拆箱時,生成的是臨時的棧實例A,所以,改動是基於臨時A的,並未改到裝箱對象。
(附:在託管C++中,允許直接取加拆箱時第一步得到的實例引用,而直接更改,但C#不行。)
那該如何是好?
嗯,通過接口方式,可以達到相同的效果。
實現如下:

interface IChange { 
void Change(Int32 x); 
} 
struct A : IChange { 
… 
} 

調用:
((IChange)o).Change(200);//改掉了嗎?改掉了。
爲啥現在可以改?
在將o轉型爲IChange時,這裏不會進行再次裝箱,當然更不會拆箱,因爲o已經是引用類型,再因爲它是IChange類型,所以可以直接調用Change,於是,更改的也就是已裝箱對象中的字段了,達到期望的效果。
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