C#装箱与拆箱

发表于 2023-11-10 更新于 2023-11-25 分类于 C# 阅读次数：本文字数： 2.8k 阅读时长 ≈ 3 分钟

拆箱（Unboxing）和装箱（Boxing）是与值类型（Value Types）和引用类型（Reference Types）在 .NET Framework（和其他一些编程语言中）有关的两个概念。这些概念通常涉及值类型和引用类型之间的转换。今天我们就来简单介绍一下拆箱与装箱。

在 C# 中，所有的数据类型最终都派生自 System.Object 类型，它是引用类型。这使得值类型和引用类型都能够被当作 Object 类型来处理。

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图片来源指路：一个超级好的C#教程

装箱（Boxing）

装箱是将值类型转换为引用类型的过程。当将值类型的数据放入一个对象中时，系统会自动将其转换为对应的引用类型。这个引用类型是一个包含值类型数据的堆内存对象。

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int i = 42;          // 值类型
object obj = i;      // 装箱，将值类型转换为引用类型
Console.WriteLine ("对象的值:{0}", obj); //对象的值:100

拆箱（Unboxing）

拆箱是将引用类型转换为值类型的过程。当从对象中提取值类型数据时，系统会将引用类型转换为对应的值类型。注意：被装过箱的对象才能被拆箱。

1 2	int j = (int)obj; // 拆箱，将引用类型转换为值类型 Console.WriteLine ("值:{0}", j); //值:100

装箱和拆箱的内部实现

装箱（Boxing）

创建堆内存对象：当进行装箱时，系统会在堆内存中创建一个包含值类型数据的新对象。
拷贝值类型数据：将值类型的数据拷贝到新创建的堆内存对象中。
返回引用：返回对新创建的堆内存对象的引用，此引用被声明为指向 System.Object 类型。

拆箱（Unboxing）

获取值类型字段的地址：首先，拆箱会获取位于托管堆中值类型字段的地址。这个步骤可以被认为是将引用类型转换为原始值类型的引用，但是注意这并不是直接操作值类型本身，而是操作它在引用类型对象中的位置。
提取值类型数据：系统会从堆内存对象中提取值类型数据拷贝到位于线程堆栈上的值类型实例中。
返回值类型：将提取的值类型数据返回，此时数据已转换为原始值类型。

为什么需要装箱拆箱

装箱（Boxing）的主要原因在于 .NET 框架中的一些设计和编程范式，尤其是为了支持通用性和多态性。

通用性：装箱允许将值类型转换为引用类型，通常是 System.Object 类型，从而使得可以以一种通用的方式处理不同的数据类型。这对于编写通用的、能够处理多种数据类型的代码是很有用的。

void ProcessObject(object obj)
{
    // 处理通用的 System.Object 类型的参数
}
int value = 42;
ProcessObject(value);  // 装箱

多态性：.NET 框架中许多集合和类库都是基于引用类型设计的。通过将值类型装箱，可以在这些集合中存储不同的数据类型，实现多态性。

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ArrayList list = new ArrayList();  // 装箱
int value = 42;
list.Add(value);

接口和抽象类：接口和抽象类通常定义操作 System.Object 类型的方法，以便支持多态性。装箱允许值类型在这些上下文中被当作 System.Object 类型使用。

interface IExample
{
    void ProcessObject(object obj);
}

class Example : IExample
{
    public void ProcessObject(object obj)
    {
        // 实现接口方法
    }
}

int value = 42;
IExample example = new Example();
example.ProcessObject(value);  // 装箱

通过这种方式，值类型的数据可以被当作引用类型来处理，使得它们可以参与面向对象编程的一些特性，如集合类、泛型等。

如何修改已装箱的对象

装箱后的对象在托管堆上创建，并且其值类型数据被拷贝到堆内存中。由于值类型在堆上的位置是只读的，因此直接修改已装箱的对象是不可行的。如果需要修改已装箱对象的数据，通常需要进行拆箱、修改、然后再进行装箱的过程。
以下通过一个示例演示如何通过拆箱、修改、再装箱的方式修改已装箱对象的值：

class Program
{
    static void Main()
    {
        int originalValue = 42;

        // 装箱
        object boxedObject = originalValue;

        // 拆箱、修改、再装箱
        if (boxedObject is int)
        {
            int unboxedValue = (int)boxedObject;
            
            // 修改
            unboxedValue += 10;

            // 再装箱
            boxedObject = unboxedValue;
        }

        Console.WriteLine($"Modified Value: {boxedObject}");
    }
}

性能消耗

装箱和拆箱提供了一些灵活性，然而，由原理可见，装箱时生成的是全新的引用对象，装箱和拆箱的操作涉及到堆内存的分配和释放，可能对性能产生影响，因此在需要高性能的场景中，需要注意这些操作的使用。以下是一些关于装箱和拆箱对执行效率的影响的注意事项和优化方法：

尽量避免装箱：在性能敏感的代码段中，应该尽量避免不必要的装箱操作。尤其是在循环或高频调用的地方，频繁的装箱会导致性能下降。
重载函数避免装箱：当处理不同数据类型时，可以通过重载函数的方式避免装箱。例如，为不同的数据类型提供不同的方法实现。

void ProcessObject(object obj)
{
    // 处理通用的 System.Object 类型的参数
}

void ProcessInt(int value)
{
    // 处理 int 类型的参数，避免装箱
}

使用泛型避免装箱：对于集合或容器，可以使用泛型类型来避免装箱。泛型提供了类型安全性，避免了在集合中存储 System.Object 类型的对象。

1 2	List<int> intList = new List<int>(); // 使用泛型集合，避免装箱 intList.Add(42);

分析IL代码进行优化：使用反编译工具查看生成的 IL 代码，以了解装箱和拆箱的位置。在循环体中可能存在多余的装箱，可以采用提前装箱的方式进行优化，减少装箱的频率。

总体来说，优化装箱和拆箱的效率问题需要根据具体的代码情况进行分析和调整。在高性能要求的应用中，特别是游戏开发等场景，对装箱和拆箱的优化是一个重要的考虑因素。