.NET面試題解析(02)-拆箱與裝箱

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裝箱和拆箱幾乎是所有面試題中必考之一,看上去簡單,就往往容易被忽視。其實它一點都不簡單的，一個簡單的問題也可以從多個層次來解讀。

  常見面試題目:

1.什么是拆箱和裝箱？

2.什么是箱子？

3.箱子放在哪里？

4.裝箱和拆箱有什么性能影響？

5.如何避免隱身裝箱？

6.箱子的基本結構？

7.裝箱的過程？

8.拆箱的過程？

9.下面這段代碼輸出什么？共發生多少次裝箱？多少次拆箱？

int i = 5;
object obj = i;
IFormattable ftt = i;
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(i, obj));
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(i, ftt));
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(ftt, obj));
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(i, (int)obj));
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(i, (int)ftt));

  深入淺出裝箱與拆箱

有拆必有裝，有裝必有拆。

在上一文中我們提到，所有值類型都是繼承自System.ValueType，而System.ValueType又是來自何方呢，不難發現System.ValueType繼承自System.Object。因此Object是.NET中的萬物之源，幾乎所有類型都來自她，這是裝箱與拆箱的基礎。

特別注意的是，本文與上一文有直接關聯，需要先了解上一文中值類型與引用類型的原理，才可以更好理解本文的內容。

基本概念

拆箱與裝箱就是值類型與引用類型的轉換，她是值類型和引用類型之間的橋梁，他們可以相互轉換的一個基本前提就是上面所說的：Object是.NET中的萬物之源

先看看一個小小的實例代碼：

            int x = 1023;
            object o = x; //裝箱
            int y = (int) o; //拆箱

裝箱：值類型轉換為引用對象，一般是轉換為System.Object類型或值類型實現的接口引用類型；

拆箱：引用類型轉換為值類型，注意，這里的引用類型只能是被裝箱的引用類型對象；

由於值類型和引用類型在內存分配的不同，從內存執行角度看，拆箱與裝箱就勢必存在內存的分配與數據的拷貝等操作，這也是裝箱與拆箱性能影響的根源。

裝箱的過程

int x = 1023;
object o = x; //裝箱

裝箱就是把值類型轉換為引用類型，具體過程：

• 1.在堆中申請內存，內存大小為值類型的大小，再加上額外固定空間（引用類型的標配：TypeHandle和同步索引塊）；
• 2.將值類型的字段值（x=1023）拷貝新分配的內存中；
• 3.返回新引用對象的地址（給引用變量object o）

如上圖所示，裝箱后內存有兩個對象：一個是值類型變量x，另一個就是新引用對象o。裝箱對應的IL指令為box，上面裝箱的IL代碼如下圖：

拆箱的過程

int x = 1023;
object o = x; //裝箱
int y = (int) o; //拆箱

明白了裝箱，拆箱就是裝箱相反的過程，簡單的說是把裝箱后的引用類型轉換為值類型。具體過程：

• 1.檢查實例對象（object o）是否有效，如是否為null，其裝箱的類型與拆箱的類型（int）是否一致，如檢測不合法，拋出異常；
• 2.指針返回，就是獲取裝箱對象（object o）中值類型字段值的地址；
• 3.字段拷貝，把裝箱對象（object o）中值類型字段值拷貝到棧上，意思就是創建一個新的值類型變量來存儲拆箱后的值；

如上圖所示，拆箱后，得到一個新的值類型變量y，拆箱對應的IL指令為unbox，拆箱的IL代碼如下：

 

裝箱與拆箱總結及性能

裝的的什么？拆的又是什么？什么是箱子？

通過上面深入了解了裝箱與拆箱的原理，不難理解，只有值類型可以裝箱，拆的就是裝箱后的引用對象，箱子就是一個存放了值類型字段的引用對象實例，箱子存儲在托管堆上。只有值類型才有裝箱、拆箱兩個狀態，而引用類型一直都在箱子里。

關於性能

之所以關注裝箱與拆箱，主要原因就是他們的性能問題，而且在日常編碼中，經常有裝箱與拆箱的操作，而且這些裝箱與拆箱的操作往往是在不經意時發生。一般來說，裝箱的性能開銷更大，這不難理解，因為引用對象的分配更加復雜，成本也更高，值類型分配在棧上，分配和釋放的效率都很高。裝箱過程是需要創建一個新的引用類型對象實例，拆箱過程需要創建一個值類型字段，開銷更低。

為了盡量避免這種性能損失，盡量使用泛型，在代碼編寫中也盡量避免隱式裝箱。

什么是隱式裝箱？如何避免？

就是不經意的代碼導致多次重復的裝箱操作，看看代碼就好理解了

int x = 100;
ArrayList arr = new ArrayList(3);
arr.Add(x);
arr.Add(x);
arr.Add(x);

這段代碼共有多少次裝箱呢？看看Add方法的定義：

再看看IL代碼，可以准確的得到裝箱的次數：

顯示裝箱可以避免隱式裝箱，下面修改后的代碼就只有一次裝箱了。

int x = 100;
ArrayList arr = new ArrayList(3);
object o = x;
arr.Add(o);
arr.Add(o);
arr.Add(o);

  題目答案解析:

1.什么是拆箱和裝箱？

裝箱就是值類型轉換為引用類型，拆箱就是引用類型（被裝箱的對象）轉換為值類型。

2.什么是箱子？

就是引用類型對象。

3.箱子放在哪里？

托管堆上。

4.裝箱和拆箱有什么性能影響？

裝箱和拆箱都涉及到內存的分配和對象的創建，有較大的性能影響。

5.如何避免隱身裝箱？

編碼中，多使用泛型、顯示裝箱。

6.箱子的基本結構？

上面說了，箱子就是一個引用類型對象，因此她的結構，主要包含兩部分：

• 值類型字段值；
• 引用類型的標准配置，引用對象的額外空間：TypeHandle和同步索引塊，關於這兩個概念在本系列后面的文章會深入探討。

7.裝箱的過程？

• 1.在堆中申請內存，內存大小為值類型的大小，再加上額外固定空間（引用類型的標配：TypeHandle和同步索引塊）；
• 2.將值類型的字段值（x=1023）拷貝新分配的內存中；
• 3.返回新引用對象的地址（給引用變量object o）

8.拆箱的過程？

• 1.檢查實例對象（object o）是否有效，如是否為null，其裝箱的類型與拆箱的類型（int）是否一致，如檢測不合法，拋出異常；
• 2.指針返回，就是獲取裝箱對象（object o）中值類型字段值的地址；
• 3.字段拷貝，把裝箱對象（object o）中值類型字段值拷貝到棧上，意思就是創建一個新的值類型變量來存儲拆箱后的值；

9.下面這段代碼輸出什么？共發生多少次裝箱？多少次拆箱？

int i = 5;
object obj = i;
IFormattable ftt = i;
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(i, obj));
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(i, ftt));
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(ftt, obj));
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(i, (int)obj));
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(i, (int)ftt));

上面代碼輸出如下，至於發生多少次裝箱多少次拆箱，你猜？

False
False
False
False
False

 

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  參考資料:

書籍：CLR via C#

書籍：你必須知道的.NET

1.4.2 裝箱和拆箱：http://book.51cto.com/art/201012/237726.htm