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C++:最强大的.NET语言之装箱

作者 佚名技术 来源 程序设计 浏览 发布时间 2012-06-30
再论类型

  在讨论装箱(boxing)之前,有必要弄清楚为什么值类型与引用类型之间会有所区别。

  一个含有数值的值类型的实例,和一个指向对象的引用类型的实例,它们有什么区别呢?除了存储对象所需的内存之外,每一个对象都会有一个对象头,目的是为面向对象的编程提供基本的服务,如存在虚方法的类,嵌入其中的元数据等等。由虚方法和接口间接结合的对象头,其内存开销通常会很大,哪怕你所需要的只是一个静态类型的数值,也会带来一些编译器的强制操作。有趣的是,在某些情况下,编译器能优化掉一些对象开销,但不总是能起作用。如果你非常在意托管代码的执行效率,那么使用数值或值类型将会有所益处,但在本地C++的类型中,这不算一个很大的区别,当然,C++也没有强制任何编程范式,所以也有可能在C++之上,通过创建库来建立一个这样截然不同的类型系统。

  装箱

  什么是装箱(boxing)?装箱是一种用来桥接数值和对象的机制。尽管CLR的每种类型都是直接或间接从Object类派生而来,但数值却不是。一个堆栈上的数值(如整形int),只不过是一个编译器会进行某种特定操作的内存块。如果你实在想把一个数值当成一个对象,必须对数值调用从Object继承而来的方法,为了实现这一点,CLR提供了装箱的概念。知道一点装箱的原理还是有点用的,首先,一个数值通过使用ldloc IL指令入栈,接下来,装箱IL指令运行,把数值类型提升,CLR再把数值出栈,并分配足够的空间存储数值与对象头,然后一个对新建对象的引用被压入栈,所有这些就是装箱指令要做的事。最后,为取得对象引用,stloc IL指令从堆栈中弹出引用,并把它存储在局部变量中。

  现在,问题是:在编程语言中,对数值的装箱操作,是应该表现为隐式还是显式呢?换句话说,是否应使用一个显式转换或其他构造函数呢?C#语言设计者决定做成隐式转换,毕竟,一个整形数是从Object间接继承来的Int32类型。

int i = 123;
object o = i;
   问题来了,正如我们所知,装箱不是一个简单的向上转换,它有点像把一个数值转换成一个对象,是一个存在潜在代价的操作。正是因为这个原因,托管C++通过使用关键字__box,来进行显式装箱。

int i = 123;
Object* o = __box(i);
  当然,在托管C++中,当装箱一个数值时,不会失去静态类型信息,而这一点,正是C#所缺乏的。

int i = 123;
int __gc* o = __box(i);
  指定强类型的装箱值有利于再次转换回到一个数值类型,或被称为解箱(unboxing),不使用dynamic_cast,只是简单地解引用一个对象。

int c = *o;
  当然,托管C++的显式装箱所带来的句法上的花销,在许多情况下已被证明是巨大的。正因为此,改变了C++/CLI语言的设计过程,成了与C#保持一致--隐式装箱。在相同情况下,它在直接表示强类型装箱数值上保持了类型安全,而这正是其他 .NET语言所做不到的。

int i = 123;
int^ hi = i;
int c = *hi;
hi = nullptr;
  在此,也暗示着一个没有指向任何对象的句柄,不能被初始化为零,在这一点上,与指针是一致的,因为这将导致只是把数值"零"装箱;同时这也是常量nullptr存在的原因,它能被赋给任何句柄,且是C#中关键字null的对等物。尽管在C++/CLI语言设计中,nullptr是一个新的保留字,但它已被Herb Sutter和Bjarne Stroustrup提议增加在标准C++中。

编写引用和值类型

   在C#中,通常用关键字class来声明一个引用类型,而用关键字struct来声明值类型: class ReferenceType {}
struct ValueType {}
  对于class和struct,C++已经有定义好了的含义,所以这在C++中行不通。在最初的语言设计上,放置在类前的关键字__gc表示这是一个引用类型,而关键字__value则表示这是一个值类型。

__gc class ReferenceType {};
__value class ValueType {};
  C++/CLI在那些不会与用户的其他标识符发生冲突的地方引入了"空隔"关键字。为了声明一个引用类型,只需在class或struct之前加上ref,类似地,可用value来声明值类型。

ref class ReferenceType {};
ref struct ReferenceType {};

value class ValueType {};
value struct ValueType {};
  关于使用class还是struct,与默认状态下类成员的可见度有关,在CLR中,最大的不同之处在于,只支持公有继承。使用private(私有)或protected(保护)继承都将会导致编译错误,因此,显式声明公有继承是合法但却多余的。

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