关于C#理解装箱与拆箱

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。

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