Effective C# 5: 警惕隐式box和unbox操作对程序性能的影响

  “开心辞典、急智问答”——指出下面的程序段中包含的所有box和unbox操作：
 public interface IMovable {                      
  void Move(int newx, int newy);           
 }                                                
 public struct Point : IMovable {                 
  public int X, Y;                         
  public void Move(int newx, int newy) {   
   X = newx; Y = newy;              
  }                                        
 }                                                
       ...
       Point pt1;                       
       pt1.X = 1; pt1.Y = 1;            
       ArrayList al = new ArrayList();  //1
       al.Add(pt1);                     
       Point pt2 = (Point)al[0];        
       Type t = pt2.GetType();   
 Point temp = (Point)al[0];       //2
 temp.Move(5, 5);                  
       ((IMovable)al[0]).Move(4, 4);    
       DateTime dt = DateTime.Now;      //3              
       string str2 = dt.ToString();      
       string str1 = pt1.ToString(); 
       int m = 1;                      //4
       string str3 = m + ", " + dt;   
       ...
     
  在条款X中我们曾经介绍过box操作包含了内存分配、对象拷贝等“繁重”的工作，因此正确识别出
程序中存在的隐式box/unbox操作对提高.NET程序的性能至关重要。
  单就概念而言，box和unbox操作非常易于理解：当程序期待一个引用类型的对象，而实际得到的
是一个值类型对象的时候，就必须通过box操作将其转换成引用类型；反之，如果程序期待一个简单
的值类型对象，而得到的却是经过box包装的，那么就必须再通过unbox操作将它转换回来。
  然而，在实际使用当中——尤其是与接口继承、多态等面向对象特性混合使用的时候，正确判断
box和unbox操作的存在就不那么容易了。因此，还是让我们逐段的分析上面提到的程序，看看你究
竟掉进了几个陷阱。J
 ArrayList al = new ArrayList();  
        al.Add(pt1);                     
        Point pt2 = (Point)al[0];   
        Type t = pt2.GetType();     
   
  这是box和unbox操作最简单基本的形式：由于ArrayList的Add方法需要一个Object类型的参数，
而程序实际提供的参数pt1是一个值类型对象，所以编译器必须产生相应的box指令，在调用Add方
法之前生成一个与pt1对应的引用类型对象，并以该对象做为Add方法的参数。
  由于.NET在数组实现上使用了一些特殊的手法，值类型数组的各种操作并不需要box和unbox
（参见条款2）。

  在接下来的一条语句中，al[0]返回一个Object类型的对象引用，程序需要将其强制转换成Point
类型，所以编译器也必须产生相应的unbox指令来完成这种转换。
  最后，GetType是Object的成员函数，而ValueType和Point都没有改写该函数（由于GetType不
是虚函数，改写GetType需要使用new关键字），所以这里实际调用的是从Object继承而来的GetType
成员函数。显然，这个函数总是假设自己作用于一个引用类型的对象，所以，编译器必须在调用
GetType函数之前对pt2进行box操作。
  相比之下，接下来的代码要稍显复杂一些了，我们需要调用Point类的Move方法，那么我们有两个选择：
一是先将al[0]转换成Point对象，然后调用其方法：
 Point temp = (Point)al[0];       
 temp.Move(5, 5); 
  我们前面已经分析过，这里强制类型转换的过程中实际包含了unbox操作。由于Move是Point的成员函数，
所以可以直接调用temp对象的Move方法而不需要再进行box操作。
  需要注意的是，由于C#编译器的实现，temp实际上是unbox操作之后在堆栈上建立的新的Point对象。
所以调用temp对象的Move函数并不会影响ArrayList中al[0]的值。即使将这两个语句合并起来也无济于事：
  ((Point)al[0]).Move(5, 5);   //同样不能改变al[0]
如果需要实际修改al[0]，就必须将temp写回到ArrayList中去：
 Point temp = (Point)al[0];       
        temp.Move(5, 5);
 al[0] = temp;   

  另外一种方法是将其转换成IMovable接口，再调用Move方法：
  ((IMovable)al[0]).Move(4, 4);  
  也许有些出乎你的意料，使用这种方法并不需要任何的box/unbox操作。al[0]返回一个Object对象的引用，
将这样一个引用转换成一个IMovable接口显然不需要box操作，而调用一个接口函数同样无需box或者unbox。
  使用这种方法的另一个好处是避免了前面提到的拷贝工作。通过接口函数调用，我们“就地”修改了
ArrayList当中的Point对象的值，既减少了代码量，同时也提高了程序的性能。
 
  接下来是关于值类型对象ToString方法的调用：
  DateTime dt = DateTime.Now;   
  string str2 = dt.ToString();      
  string str1 = pt1.ToString(); 
  我们前面已经分析过调用GetType方法的情况，这里的ToString和GetType一样是Object的成员函数，
那么调用ToString不也是显然需要box操作的么？先别急，还是让我们逐个仔细分析：

DateTime: 我们当然希望DateTime的ToString方法能够得到它所包含的时间的字符表示，
因此DateTime结构改写了从Object继承来的ToString方法。在DateTime结构的ToString方法当中，
编译器和Runtime确信当前操作的一定是DateTime对象的实例，而不是其他从DateTime继承的类型，
因为.NET不允许从值类型进一步的继承。既然编译器和Runtime都能正确处理这种值类型对象的情况，
那么在用box操作把它包装起来就显得多此一举了。所以，调用DateTime的ToString方法并不需要
box操作。
Point: Point的情况又不相同，由于我们在编写Point结构的时候忘记改写ToString方法，
Point.ToString会直接调用从Object继承的版本，返回自己的类型全名。显然，Object的ToString方
法是针对引用类型编写的，也就是在这个函数调用过程中编译器和Runtime期待的是一个对象引用，所以
必须经由box操作来转换当前的值类型对象，从而得到一个有效的对象引用。

 
  还剩下最后一个语句了：
  int m = 1;
  string str3 = m + ", " + dt;   
  而这里真正困难的是这种对象的拼接工作究竟是如何完成的？ 为了简化对象和字符串的拼接，C#编译器
可以直接接受上面的语句，并且把它转换成对String类的Concat方法的调用：
  public static string Concat(params object[]);
  public static string Concat(params string[]);
  上面的语句实际上本转换成了：
  string str3 = String.Concat(m, “,”, dt);
  显然String类的Concat方法只能接受Object和String这样的引用类型对象，而m和dt这样的值类型对象
就必须先通过box操作转换才能作为String.Concat函数的参数。
  通过对上面语句的简单改写，我们实际上完全可以避免这两次box操作：
  string str3 = m.ToString() + ”,” + dt.ToString();
  由于System.Int32和DateTime均改写了Object.ToString方法，调用ToString方法不再需要额外的
box操作了。考虑到避免box操作意味着减少了内存分配和拷贝工作，了解程序中潜在的box/unbox操作并
尽可能的避免它们对程序的性能大有裨益。
  最后，让我们总结一下常见的隐式box/unbox操作以及可能采用的避免这些操作的方法：

函数参数：当函数参数声明为Object类型，而实际传递的参数是一个值类型对象的时候。这一
类函数在设计的时候应该尽可能为值类型提供重载调用形式，例如Console.Write，除了提供Object参数调
用形式以外，为各种内建的值类型也都提供了重载调用形式。
使用容器对象：除了数组以外，其它的.NET容器（例如ArrayList）都是直接容纳引用类型对
象的。用它们来容纳值类型对象需要额外的box/unbox操作。因此如果程序性能至关重要的话，应当尽量使用
值类型数组取代其它容器对象。另外，通过定义Interface，也可以减少不必要的box/unbox操作。
调用Object类方法：调用值类型对象从Object类继承来的方法虚要先对对象进行box操作。因
此最好为值类型对象提供Object中定义的虚函数的实现，这样除了较少了潜在的box/unbox操作以外，还使
得诸如ToString方法的语义更加合理。
 
调用接口函数：如果值类型实现了某个接口，将值类型对象转换成接口需要进行box操作。

  如果你能够正确识别程序中隐藏的box/unbox操作，那么一些简单的优化手段在这里同样适用。例如下面的代码：
 int k = 5;
 for (int i = 0; i < 10000; ++ i) {
  //two box operations
  Console.WriteLine(k + “, “ + i)；
 }
  我们可以将隐式完成的变量k的box操作提到循环体的外部，从而减少程序box操作的次数，进而提高性能：
 int k = 5;
 object ok = (object)k; //manully box it
 for (int i = 0; i < 10000; ++ i) 
 {
  //only one box operation
  Console.WriteLine(ok + “, “ + i)； 
 }