NET中的类型和装箱/拆箱原理

Posted 2020-07-26 金融之王

谈到装箱拆箱，DebugLZQ相信给位园子里的博友一定可以娓娓道来，大概的意思就是值类型和引用类型的相互转换呗---值类型到引用类型叫装箱，反之则叫拆箱。这当然没有问题，可是你只知道这么多，那么DebugLZQ建议你花点时间看看楼主这篇文章，继续前几篇博文的风格--浅谈杂侃。

　　1. .NET中的类型

　　为了说明装箱和拆箱，那首先必须先说类型。在.NET中，我们知道System.Object类型是所有内建类型的基类。注意这里说的是内建类型，程序员可以编写不继承子自System.Object的类型，这里不做过多的介绍（感兴趣的博友可以研究一下）。

　　所有.NET的类型都可以分为两类（有点不严谨，但是大家都这么讲）：值类型和引用类型。那么值类型和引用类型如何区分，标准是什么？最简单也最明确的一个区分标准是：所有的值类型都继承自System.ValueType(System.ValueType继承自System.Object)，也就是说，所有继承自System.ValueType的类型都是值类型，而其他类型都是引用类型。（题外话：以前在读一位博友王涛的《你必须知道的.NET》中，他说，值类型和引用类型最本质的区别是：值类型和引用类型在内存中分配的位置不同，前者分配在堆栈上，后者分配在堆上。个人觉得这个不是一个简单明确的区分方法。远没有DebugLZQ说的这么露骨！）

　　说到这里，你应该要有这样的想法：严格来说的话，System.Object作为所有内建类型的基类，本身并没有值类型和引用类型之分。但是System.Object的对象，具有引用类型的特点。这也是值类型在有些场合需要装箱拆箱的原因。

　　下面还是简单说下值类型和引用类型的不一样的地方吧，分3块，个人觉得理解这3块就可以了：

1. 变量赋值   值类型的变量将直接获得一个真实的数据副本，而对引用类型的赋值仅仅是吧对象的引用赋给变量，这样就可能导致多个变量引用到一个实际对象实例上（这里需要各位博友去理解.NET对String的一些优化机制，本质和这个不相悖）。
2. 内存分配   引用类型的对象将在堆上分配内存，而值类型的对象则会在堆栈上分配内存。（内存如何分配：堆栈上存的是什么?值类型变量和引用类型变量的引用。堆上存的是什么？引用类型的对象（包括了类型对象指针和同步块索引，注意只是个索引，这是.NET为线程同步提出的一种折中的办法。））。大对象堆（也是堆，一种特别的堆）什么的这里不做介绍。但必须说明的是：堆栈的空间有限，但运行效率却比堆要高得多！！！
3. 由于所有的值类型都继承自System.ValueType，而System.ValueType继承自System.Object，并重新实现了基类System.Object的一个虚方法Equals，而引用类型并没有重写。

　　2.装箱拆箱原理

　　前面简单介绍了.NET中的类型，下面引入装箱和拆箱。通过1我们知道值类型的对象是在堆栈上分配内存的，而引用类型（包括System.Object）对象是在堆上分配内存的，那么当值类型被类型转换时，会在堆栈和堆上进行一系列的操作，这就是装箱拆箱的来源。

　　充分理解装箱拆箱的原理，有助于我们程序员写出高效的代码。

　　梳理下：前面DebugLZQ说到，所有值类型都继承自System.ValueType，而Sytem.ValueType继承自System.Object;所有值类型对象都分配在堆栈上，而所有引用类型，当然包括System.Object，对象都分配在堆上。那么，问题来了：既然System.Object 是所有值类型的基类，那么所有值类型必然可以隐式转换成System.Object（面向对象中的类型替换原则，基类能够替换子类），那么这个对象将被分配在哪里，堆上还是堆栈上？事实上，当这个转换发生时，CLR需要做额外的工作把堆栈上的值类型移动到堆上，这个操作就是被我们称作的“装箱”。

　　装箱(box)的详细步骤：

1. 在堆上分配一个内存空间，大小等于需要装箱的值类型对象的大小加上两个引用类型对象都拥有的成员：类型对象指针和同步块引用。
2. 把堆栈上的值类型对象复制到堆上新分配的对象。
3. 返回一个指向堆上新对象的引用，并且存储到堆栈上被装箱的那个值类型的对象里。

　　这个步骤不需要程序员自己编写，在任何出现装箱的地方，编译器会自动加上执行以上功能的IL代码。

　　所谓的拆箱就是装箱对应着的概念，但拆箱的过程和装箱并不是倒过来就是：

　　拆箱(unbox.any)的详细步骤

　　如果为待拆箱对象为null，抛出NullReferenceException异常。

　　如果引用指向的不是一个期望对象的已装箱对象，抛出InvalidCastException异常。

1. 获取已装箱对象中各个字段的地址，这个过程就是“拆箱”

　　需要说明的是一般拆箱以后会伴随着对象的拷贝，但拷贝操作已经不是拆箱的范畴。

　　装箱拆箱新能比较

 　　了解了装箱和拆箱的操作，我们可以清楚的明白：装箱操作会导致数据在堆和栈上进行拷贝，频繁的装箱操作会性能损失。而相比而言拆箱过程对性能损耗还是比较小的。

　　3 小结

　　装箱和拆箱意味着堆和堆栈空间的一系列操作，毫无疑问，这些操作的性能代价是很大的，尤其是对于堆上空间的操作，速度相对于堆栈慢得多，并且可能引发垃圾回收，这些都将大规模的影响系统系能。

　　装箱和拆箱操作经常发生在以下连个场合：

• 值类型的格式化输出
• System.Object类型的容器

　　第一种情况，类型的格式化输出往往伴随一次装箱操作，譬如：

using System;

namespace MaxValueTest
{
    /// <summary>
    /// DebugLZQ
    /// http://www.cnblogs.com/DebugLZQ
    /// </summary>
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            int i = Int32.MaxValue;
            Console.WriteLine("Int32的最大值是"+i);//引发了一次不必要的装箱操作
            Console.WriteLine("Int32的最大值是" + i.ToString());//ok
            
            Console.ReadKey();
        }
    }
}

　　第二种情况更为常见一些，例如常用的容器ArrayList，就是一个典型的System.Object容器，任何值类型被放入到ArrayList的对象中，都会发生一次装箱操作，而对应的取出值类型对象会引发一次拆箱操作。

　　在.NET 2.0以后，引入了“泛型”的概念后，这些问题得到了有效的解决。泛型允许定义针对某个特定类型（包括值类型）的容器，并且避免装箱和拆箱。

　　关于泛型的机制和原理，请关注DebugLZQ后面的博文：《浅谈.NET中的泛型的机制和原理》，请期待~