运行时如何知道装箱值类型的确切类型？

Question

我了解什么是装箱。值类型被封装为对象/引用类型，然后作为对象存储在托管堆上。但我无法理解拆箱。

拆箱将您的对象/引用类型转换回值类型。

int i = 123;          // A value type
object box = i;       // Boxing
int j = (int)box;     // Unboxing

好的。但是如果我试图将一个值类型拆箱成另一个值类型，例如上面的示例中的long，它会抛出InvalidCastException异常。

long d = (long)box;

我认为运行时隐式地知道了“box”对象内包装的值类型的实际类型。如果我是正确的，我想知道这个类型信息存储在哪里。

编辑：

由于int可以隐式转换为long，这让我感到困惑。

int i = 123;
long lng = i;

这是完全没涉及到装箱/拆箱的技术，所以很好。

- Arpit Khandelwal

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那 box.GetType() 怎么样？ - speti43

运行时了解每个对象的类型。装箱值并没有什么不同。 - Jonathon Reinhart

假设你有一个值类型的“球”，你把它放在“玻璃盒”里。这会阻止你知道里面是一个球吗？你显然可以清楚地看到，不是吗？就像这样... - Sriram Sakthivel

这是一个有点令人困惑的问题。想象一下，你创建了一个 Foo 实例（引用类型），然后将其分配给一个 object 变量。如果你尝试将其转换为 Bar 实例（也是引用类型），难道不也会期望出现相同的异常吗？正如 @JonathonReinhart 所说，装箱/拆箱并没有真正涉及到它。 - Daniel Kelley

@DanielKelley，我承认我没有提到我的困惑，即当装箱/拆箱发挥作用时，即使从一个隐式可转换类型进行转换也不起作用。请看我的编辑。 - Arpit Khandelwal

Answer 1

当一个值被装箱时，它会获得一个对象头。这个头是从System.Object派生的任何类型都有的。该值跟随该头。头包含两个字段，一个是"syncblk"，它具有超出问题范围的各种用途。第二个字段描述对象的类型。

这就是你要问的内容。在文献中有各种名称，最常见的是"type handle"或"method table pointer"。后者是最准确的描述，它是指向CLR加载类型时跟踪信息的指针。许多框架功能都依赖于它。当然，Object.GetType()也是如此。您代码中的任何转换以及"is"和"as"运算符也使用它。这些转换是安全的，因此您不能将Dog转换为Cat，类型句柄提供了这个保证。您装箱的int的方法表指针指向System.Int32的方法表。

在.NET 1.x中，装箱非常普遍，在泛型可用之前。所有常见的集合类型都存储对象而不是T。因此，将元素放入集合需要（隐式）装箱，再次取出则需要显式转换并取消装箱。

为了使其高效，JIT很重要的一点是不需要考虑需要进行转换的可能性。因为那需要更多的工作。因此，C#语言包括了解除装箱到另一种类型是非法的规则。现在只需要检查类型句柄以确保它是预期类型即可。JIT直接将方法表指针与您的情况下System.Int32的指针进行比较。并且嵌入在对象中的值可以直接复制，而无需考虑任何转换问题。非常快，可以使用内联机器代码完成所有操作，而无需任何CLR调用。

这个规则是特定于C#的，VB.NET没有这个规则。这两种语言之间的典型权衡，C#的重点是速度，而VB.NET的重点是方便。在取消装箱时转换为另一种类型不是问题，所有简单的值类型都实现了IConvertible。您可以在代码中显式编写它，使用Convert帮助类：

        int i = 123;                    // A value type
        object box = i;                 // Boxing
        long j = Convert.ToInt64(box);  // Conversion + unboxing

这与 VB.NET 编译器自动生成的代码非常相似。

- Hans Passant

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感谢您的精确解释。Luaan、Paval和Ritesh的答案也从不同的角度解释了同样的事情，但是您的解释恰到好处。 - Arpit Khandelwal

Answer 2

这是因为拳击指令将值类型标记添加到结果对象中MSDN。当您从对象中取消装箱值时，该变量是已知类型（以及在内存中的大小）。因此，您必须将对象强制转换为原始值类型。

在您的示例中，您甚至不需要将其从int转换为long，因为这是一个隐式转换。

- Pavel Pája Halbich

Answer 3

当你使用 boxing 而不是将值类型从堆栈移动到堆中时，它会在堆中创建一个副本，并在新的堆栈盒子中存储它的引用。 因此，你的原始堆栈对象，即值类型对象及其数据类型信息，保留在堆栈中并保持其历史记录。 现在，在拆箱时，它会将堆中对象的类型与堆栈中的原始数据类型进行比较，如果发现不匹配，则会产生错误。 因此，在进行拆箱时必须使用与装箱时相同的数据类型。

- Ritesh Hingorani

Answer 4

每个引用对象都有一堆与之关联的元数据。这包括给定对象的确切类型（这就是为什么你可以完全保证类型安全性）。

因此，尽管“int”是按值传递的，但实际上缺少了这些信息（并不重要），但一旦将其装箱，它就会创建一个具有所有必要元数据的新对象。这也意味着，虽然“int”只是4个字节，但装箱的“int”比这多得多——现在你有了一个引用（4-8个字节）、值本身（4个字节）和元数据（其中包括特定类型句柄）。这与C++非常不同，后者允许您将任何指针强制转换为任何类型的指针（并在您强制转换错误时留下处理错误的工作）。

所有按引用传递的对象都有这些元数据。这是引用类型成本相当重要的一部分，但也是确保类型安全的手段。这还很好地展示了 ArrayList of int 可能真正的昂贵程度，以及为什么 int[] 或 List<int> 更加高效——即使忽略了分配（更重要的是收集）堆对象的成本和装箱/拆箱本身，4 字节的 int 可能会突然变成 20 字节，只因为你在存储对它的引用 :)

- Luaan