關(guān)于Visual C#裝箱與拆箱的研究

1、關(guān)于Visual C#裝箱與拆箱的研究在對這個問題展開討論之前，我們不妨先來問這么幾個問題，以系統(tǒng)的了解我們今天要探究的主題。觀者也許曾無數(shù)次的使用過諸如System.Console類或.NET類庫中那些品種繁多的類。那么，我想問的是它們究竟源自何處？C#又是如何聯(lián)系它們?有沒有支持我們個性化擴(kuò)展的機(jī)制或類型系統(tǒng)？又有哪些類型系統(tǒng)可供我們使用呢？如果我們這些PL們連這些問題都不知其然，更不知其所以然的話，C#之門恐怕會把我們拒之門外的。那就讓我們先停停手中的活兒，理理頭緒，對作為.NET重要技術(shù)和基礎(chǔ)之一的CTS(Common Type System做一個饒有興趣的研究。顧名思義，CTS就是為

2、了實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用程序聲明和使用這些類型時必須遵循的規(guī)則而存在的通用類型系統(tǒng)。在這要插一句，雖然也許大家都對此再熟悉不過了，但是我還是要強(qiáng)調(diào)，.Net將整個系統(tǒng)的類型分成兩大類 值類型 和 引用類型。到此，你也許會怒斥:說了這么半天，你似乎還沒有切入正題呢！別慌！知道了.Net類型系統(tǒng)的的特點(diǎn)并不代表你真正理解了這個類型系統(tǒng)的原理和存在的意義。大多數(shù)面向?qū)ο蟮恼Z言都有兩種類型：原類型（語言固有的類型，如整數(shù)、枚舉）和類。雖然在實(shí)現(xiàn)模塊化和實(shí)體化方面，面向?qū)ο蠹夹g(shù)體現(xiàn)了很強(qiáng)的能力，但是也存在一些問題，比如現(xiàn)在提到的這個系統(tǒng)類型問題，歷史告訴我們兩組類型造成了許多問題。首先就是兼容性問題，這個也是Mic

3、rosoft使勁抨擊的一點(diǎn)，多數(shù)的OO語言存在這個弱點(diǎn)，原因就是因?yàn)樗麄兊脑愋蜎]有共同的基點(diǎn)，于是他們在本質(zhì)上并不是真正的對象，它們并不是從一個通用基類里派生來的。怪不得，Anders Heijlsberg 笑稱其為“魔術(shù)類型”。正是由于這一缺陷，當(dāng)我們希望指定一個可以接受本語言支持的任何類型的參數(shù)的Method時，同樣的問題再次襲擾我們的大腦不兼容。當(dāng)然，對于C+的PL大拿，也許這個沒有什么大不了的，他們會自豪的說，只要用重載的構(gòu)造器為每一種原類型編寫一個Wrapper Class 不就完了嘛！好吧，這樣總算是能共存了，但是，接下來我們怎么從這個魔術(shù)中得到我們最關(guān)心的東東 結(jié)果呢？于是，他

4、們依然會自信的打開Boarland,熟練的編寫一個重載過的函數(shù)來從剛才的那個 Wrapper Class 中獲取結(jié)果。兄弟 or 姐妹們 ，在當(dāng)時的歷史條件下，你們的行為是創(chuàng)舉，但是相對于現(xiàn)在，你將會為此付出代價 效率低下。畢竟，C+更依賴于對象，而非面向?qū)ο?。承認(rèn)現(xiàn)實(shí)總比死要面子更理智一些！花這么大力氣，總算把鋪墊說完了，我想說的是：.Net環(huán)境的CTS 給我們帶來了方便。第一、CTS中的所有東西都是對象；第二、所有的對象都源自一個基類System.Object類型。這就是所謂的單根層次結(jié)構(gòu)（singly rooted hierarchy）關(guān)于System.Object的詳細(xì)資料請參考微軟的

5、技術(shù)文檔。這里我們簡略的談?wù)勆厦嫣岬竭^的兩大類型：Value Type 和 Reference Type。CTS值類型的一個最大的特點(diǎn)是它們不能為null，言外之意就是值類型的變量總有一個值。在C#中，它包括有原類型、結(jié)構(gòu)、枚舉器。這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：在傳遞值類型的變量時，我們實(shí)際傳遞的是變量的值，而非底層對象的引用，這一點(diǎn)和傳遞引用類型的變量的情況截然不同；CTS引用類型就好像是類型安全的指針，它可以為null。它包括 如類、接口、委托、數(shù)組等類型。對比前面值類型的特點(diǎn)，當(dāng)我們分配一個引用類型時，系統(tǒng)會在后臺的堆棧上分配一個值（內(nèi)存分配與位置）并返回對這個值的引用；當(dāng)值為null時，說明沒有引

6、用或類型指向某個對象。這就意味著，我們在聲明一個引用類型的變量時，被操作的是此變量的引用（地址），而不是數(shù)據(jù)。 討論到這個地方的時候，本篇的主角終于閃亮登場了欲吐血或者嘔吐的同志，請再忍耐一下。我想問一個問題先：在使用這種多類型系統(tǒng)時如何有效的拓展和提高系統(tǒng)的性能？也許就是在黑板上對這個問題的探討，西雅圖的那幫家伙們提出了Box（裝箱） and UnBox（拆箱） 的想法。簡單的說。裝箱就是將值類型(value type轉(zhuǎn)換為引用類型(reference type的過程；反之，就是拆箱。（其實(shí)這種思想早八輩子就產(chǎn)生了）。下面我們就進(jìn)一步詳細(xì)的討論裝箱和拆箱的過程。在討論中，我們剛剛提到的問題的

7、答案也就迎刃而解了。首先，我們先來看看裝箱過程，為此我們需要先做兩個工作：1、編寫例程； 2、打開ILDASM（MSIL代碼察看工具）為此我們先來看看以下的代碼：using System;namespace StructApp/ / BoxAndUnBox 的摘要說明。/ public class BoxAndUnBoxpublic BoxAndUnBox( / TODO: 在此處添加構(gòu)造函數(shù)邏輯/ static void Main(string argsdouble dubBox = 77.77; / 定義一個值形變量 object objBox = dubBox; / 將變量的值裝箱到 一

8、個引用型對象中 Console.WriteLine("The Value is '0' and The Boxed is 1",dubBox,objBox.ToString(;/代碼中，本篇我們只需要關(guān)注Main(方法下加注釋的兩行代碼，第一行我們創(chuàng)建了一個double類型的變量(dubBox。顯然按規(guī)則，CTS規(guī)定double是原類型，所以dubBox自然就是值類型的變量；第二行其實(shí)作了三個工作，這個將在下面的MSIL代碼中看的一清二楚。第一步取出dubBox的值，第二步將值類型轉(zhuǎn)換引用類型，第三步傳值給objBox。MSIL代碼如下：.method pr

9、ivate hidebysig static void Main(string args cil managed.entrypoint/ 代碼大小 40 (0x28.maxstack 3.locals init (0 float64 dubBox,1 object objBoxIL_0000: ldc.r8 77.769999999999996IL_0009: stloc.0IL_000a: ldloc.0IL_000b: box mscorlibSystem.DoubleIL_0010: stloc.1IL_0011: ldstr "The Value is '0'

10、 and The Boxed is 1"IL_0016: ldloc.0IL_0017: box mscorlibSystem.DoubleIL_001c: ldloc.1IL_001d: callvirt instance string mscorlibSystem.Object:ToString(IL_0022: call void mscorlibSystem.Console:WriteLine(string,object,objectIL_0027: ret / end of method BoxAndUnBox:Main在MSIL中，第IL_0000 至 IL_0010 行

11、是描述前面兩行代碼的。參照C#的MSIL手冊，觀者不難理解這段底層代碼的執(zhí)行過程，在這我著重描述一下當(dāng)dubBox被裝箱時所發(fā)生的故事：(1劃分堆棧內(nèi)存，在堆棧上分配的內(nèi)存 = dubBox的大小 + objBox及其結(jié)構(gòu)所占用的空間；(2dubBox的值(77.7699999999996被復(fù)制到新近分配的堆棧中；(3將分配給objBox的地址壓棧，此時它指向一個object類型，即引用類型。拆箱作為裝箱的逆過程，看上去好像很簡單，其實(shí)里面多了很多值的思考的東西。首先，box的時候，我們不需要顯式的類型轉(zhuǎn)換，但是在unbox時就必須進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換。這是因?yàn)橐妙愋偷膶ο罂梢员晦D(zhuǎn)換為任何類型。(當(dāng)

12、然，這也是電腦和人腦一個差別的體現(xiàn)類型轉(zhuǎn)換不容回避的將會受到來自CTS管理中心的監(jiān)控其標(biāo)準(zhǔn)自然是依據(jù)規(guī)則。(其內(nèi)容的容量足以專門設(shè)一章來討論好了，我們還是先來看看下面這段代碼吧：using System;namespace StructApp/ / BoxAndUnBox 的摘要說明。/ public class BoxAndUnBoxpublic BoxAndUnBox( / TODO: 在此處添加構(gòu)造函數(shù)邏輯/ /static void Main(string argsdouble dubBox = 77.77; object objBox = dubBox; double dubUnBo

13、x = (doubleobjBox; / 將引用型對象拆箱 ，并返回值Console.WriteLine("The Value is '0' and The UnBoxed is 1",dubBox,dubUnBox;/與前面裝箱的代碼相比，本段代碼多加了一行double dubUnBox = (doubleobjBox;新加的這行代碼作了四個工作，這個也將體現(xiàn)在MSIL代碼中。第一步將一個值壓入堆棧；第二步將引用類型轉(zhuǎn)換為值類型；第三步間接將值壓棧；第四步傳值給dubUnBox。MSIL代碼如下：.method private hidebysig stat

14、ic void Main(string args cil managed.entrypoint/ 代碼大小 48 (0x30.maxstack 3.locals init (0 float64 dubBox,1 object objBox,2 float64 dubUnBoxIL_0000: ldc.r8 77.769999999999996IL_0009: stloc.0IL_000a: ldloc.0IL_000b: box mscorlibSystem.DoubleIL_0010: stloc.1IL_0011: ldloc.1IL_0012: unbox mscorlibSystem.

15、DoubleIL_0017: ldind.r8IL_0018: stloc.2IL_0019: ldstr "The Value is '0' and The UnBoxed is 1"IL_001e: ldloc.0IL_001f: box mscorlibSystem.DoubleIL_0024: ldloc.2IL_0025: box mscorlibSystem.DoubleIL_002a: call void mscorlibSystem.Console:WriteLine(string,object,objectIL_002f: ret / en

16、d of method BoxAndUnBox:Main在MSIL中，第IL_0011 至 IL_0018 行是描述新行代碼的。參照C#的MSIL手冊，觀者不難理解這段底層代碼的執(zhí)行過程，在此我著重描述一下objBox在拆箱時的遭遇：(1環(huán)境須先判斷堆棧上指向合法對象的地址，以及在對此對象向指定的類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換時是否合法，如果不合法，就拋出異常；(2當(dāng)判斷類型轉(zhuǎn)換正確，就返回一個指向?qū)ο髢?nèi)的值的指針?？磥恚b箱和拆箱也不過如此，費(fèi)了半天勁，剛把值給裝到箱里去了，有費(fèi)了更多的勁把它拆解了，郁悶??！細(xì)心的觀者，可能還能結(jié)合代碼和MSIL看出，怎么在調(diào)用Console.WriteLine(的過程中又出

17、現(xiàn)了兩次box,是的，我本想偷懶逃過這節(jié)，但是既然已被發(fā)現(xiàn)，就應(yīng)該大膽的面對，其實(shí)這就是傳說中的“暗箱操作”??！ 因?yàn)镃onsole.WriteLine方法有許多的重載版本，此處的版本是以兩個String對象為參數(shù)，而具有object 類型的參數(shù)的重載是編譯器找到的最接近的版本，所以，編譯器為了求得與這個方法的原型一致，就必須對值類型的dubBox和dubUnBox分別進(jìn)行裝箱(轉(zhuǎn)換成引用類型。所以，為了避免由于無謂的隱式裝箱所造成的性能損失，在執(zhí)行這些多類型重載方法之前，最好先對值進(jìn)行裝箱?，F(xiàn)在我們把上述地代碼改進(jìn)為：using System;namespace StructApp/ / B

18、oxAndUnBox 的摘要說明。/ public class BoxAndUnBoxpublic BoxAndUnBox( / TODO: 在此處添加構(gòu)造函數(shù)邏輯/ /static void Main(string argsdouble dubBox = 77.77; object objBox = dubBox; double dubUnBox = (doubleobjBox; object objUnBox = dubUnBox;Console.WriteLine("The Value is '0' and The UnBoxed is 1",objB

19、ox,objUnBox;/MSIL代碼：.method private hidebysig static void Main(string args cil managed.entrypoint/ 代碼大小 45 (0x2d.maxstack 3.locals init (0 float64 dubBox,1 object objBox,2 float64 dubUnBox,3 object objUnBoxIL_0000: ldc.r8 77.769999999999996IL_0009: stloc.0IL_000a: ldloc.0IL_000b: box mscorlibSystem.Dou