深入理解C#的裝箱和拆箱

裝箱拆箱的定義

裝箱和拆箱是值型別和引用型別之間相互轉換時要執行的操作。
1. 裝箱在值型別向引用型別轉換時發生。
2. 拆箱在引用型別向值型別裝換是發生。

光上述兩句話不難理解，但是往深處瞭解，就需要一些篇幅來解釋了。
我們先來看裝箱時會發生什麼事情，下面是一行最簡單的裝箱程式碼。

object obj = 1;

這行語句將整型常量1賦給object型別的變數obj； 眾所周知常量1是值型別，值型別是要放在棧上的，而object是引用型別，它需要放在堆上；要把值型別放在堆上就需要執行一次裝箱操作。

這行語句的IL程式碼如下，請注意註釋部分說明：

.locals init (
  [0] object objValue
)  //以上三行IL表示宣告object型別的名稱為objValue的區域性變數
IL_0000: nop
IL_0001: ldc.i4.s 9 //表示將整型數9放到棧頂
IL_0003: box [mscorlib]System.Int32 //執行IL box指令，在記憶體堆中申請System.Int32型別需要的堆空間
IL_0008: stloc.0 //彈出堆疊上的變數，將它儲存到索引為0的區域性變數中

以上就是裝箱所要執行的操作了，執行裝箱操作時不可避免的要在堆上申請記憶體空間，並將堆疊上的值型別資料複製到申請的堆記憶體空間上，這肯定是要消耗記憶體和cpu資源的。我們再看下拆箱操作是怎麼回事：

請看下面的C#程式碼：

object objValue = 4;
int value = (int)objValue;

上面的兩行程式碼會執行一次裝箱操作將整形數字常量4裝箱成引用型別object變數objValue；然後又執行一次拆箱操作，將儲存到堆上的引用變數objValue儲存到區域性整形值型別變數value中。

同樣我們需要看下IL程式碼：

.locals init (
  [0] object objValue,
  [1] int32 'value'
) //上面IL宣告兩個區域性變數object型別的objValue和int32型別的value變數
IL_0000: nop
IL_0001: ldc.i4.4
 
 //將整型數字4壓入棧
IL_0002: box [mscorlib]System.Int32  //執行IL box指令，在記憶體堆中申請System.Int32型別需要的堆空間
IL_0007: stloc.0 //彈出堆疊上的變數，將它儲存到索引為0的區域性變數中
IL_0008: ldloc.0//將索引為0的區域性變數（即objValue變數）壓入棧
IL_0009: unbox.any [mscorlib]System.Int32 //執行IL 拆箱指令unbox.any 將引用型別object轉換成System.Int32型別
IL_000e: stloc.1 //將棧上的資料儲存到索引為1的區域性變數即value

拆箱操作的執行過程和裝箱操作過程正好相反，是將儲存在堆上的引用型別值轉換為值型別並給值型別變數。
裝箱操作和拆箱操作是要額外耗費cpu和記憶體資源的，所以在c# 2.0之後引入了泛型來減少裝箱操作和拆箱操作消耗。

使用泛型和不使用泛型引發裝箱拆箱的情況

• 使用非泛型集合時引發的裝箱和拆箱操作

看下面的一段程式碼：

var array = new ArrayList();
array.Add(1);
array.Add(2);

foreach(int value in array)
{
  Console.WriteLine("value is {0}",value);
}

程式碼聲明瞭一個ArrayList物件，向ArrayList中新增兩個數字1，2；然後使用foreach將ArrayList中的元素列印到控制檯。

在這個過程中會發生兩次裝箱操作和兩次拆箱操作，在向ArrayList中新增int型別元素時會發生裝箱，在使用foreach列舉ArrayList中的int型別元素時會發生拆箱操作，將object型別轉換成int型別，在執行到Console.WriteLine時，還會執行兩次的裝箱操作；這一段程式碼執行了6次的裝箱和拆箱操作；如果ArrayList的元素個數很多，執行裝箱拆箱的操作會更多。

你可以通過使用ILSpy之類的工具檢視IL程式碼的box，unbox指令檢視裝箱和拆箱的過程。

• 使用泛型集合的情況

請看如下程式碼：

var list = new List<int>();
list.Add(1);
list.Add(2);

foreach (int value in list)
{
Console.WriteLine("value is {0}", value);
}

程式碼和1中的程式碼的差別在於集合的型別使用了泛型的List，而非ArrayList；我們同樣可以通過檢視IL程式碼檢視裝箱拆箱的情況，上述程式碼只會在Console.WriteLine()方法時執行2次裝箱操作，不需要拆箱操作。

可以看出泛型可以避免裝箱拆箱帶來的不必要的效能消耗；當然泛型的好處不止於此，泛型還可以增加程式的可讀性，使程式更容易被複用等等。