C#中ArrayList运行机制及其涉及的装箱拆箱

• • 1.1 基本用法
  • • 1.1.1 属性
    • 1.1.2 方法
  • 1.2 内部实现
  • 1.3 装箱
  • 1.4 拆箱
  • 1.5 object对象的相等性比较
  • 1.6 总结
  • 1.7 其他简单结构类

1.1 基本用法

命名空间： using System.Collections;

1.1.1 属性

Capacity：获取或设置 ArrayList 可包含的元素数目。
Count：获取 ArrayList 中实际包含的元素数目。
Item[Int32]：获取或设置指定索引处的元素。

1.1.2 方法

Add(Object)：向 ArrayList 的末尾添加一个元素。
AddRange(ICollection)：向 ArrayList 的末尾添加元素集合。
Clear()：移除所有元素。
Contains(Object)：判断 ArrayList 是否包含特定元素。
IndexOf(Object)：返回某个元素在 ArrayList 中的索引。
Insert(Int32, Object)：在指定索引位置插入一个元素。
Remove(Object)：移除特定元素的第一个匹配项。
RemoveAt(Int32)：移除指定索引处的元素。
Sort()：对 ArrayList 的元素排序。
ToArray()：将 ArrayList 转换为数组。

1.2 内部实现

• ArrayList 是一个非泛型集合，它可以存储任何类型的对象，本质上是一个object类型的数组;
• 类似于List，其初始capacity为0，后依次动态扩容为4 8 16 32……;
• 动态扩容是一项昂贵的操作，因为它涉及到创建新数组和复制元素，需要不断的GC；
• 如果事先知道大概需要存储的元素数量，预先设置一个合理的容量可以提高性能；
• 存储值类型元素时：装箱；
• 将值类型元素取出来转换使用时：拆箱。

ArrayList array1 = new ArrayList();
WriteLine(array1.Capacity); //输出0（初始容量为0）

array1.Add(1);
WriteLine(array1.Capacity); //输出4（首次扩容到4）

array1.Add("two");
array1.Add(3);
array1.Add("four");
array1.Add(5);

WriteLine(array1.Capacity); //输出8（再次扩容到8）

1.3 装箱

是一个将值类型转换为对象类型的过程，涉及到从栈（值类型通常存储的位置）到堆（引用类型存储的位置）的数据复制。大致步骤：

• 当发生装箱时，.NET 运行时在堆上为该值类型分配内存。
• 接着，它将值类型的内容复制到堆上分配的这块内存中。
• 之后，引用类型变量（例如 object）会指向堆上的这个新位置。

1.4 拆箱

拆箱是将引用类型转换回其原始的值类型的过程。拆箱过程涉及从堆到栈的数据复制。大致步骤：

• 拆箱操作首先检查引用类型实例是否确实指向先前装箱的值类型。
• 如果类型匹配，它会从堆上的对象中复制值回栈上的值类型变量。
• 如果类型不匹配，会抛出 InvalidCastException。

1.5 object对象的相等性比较

== 用于判断两个对象引用是否指向同一个对象实例，即它们在内存中的地址是否相同；
Equals 方法用于比较两个对象的值或内容是否相等。这被称为值相等性。

1.6 总结

装箱和拆箱操作都涉及内存分配和数据复制，这在性能上有一定的成本。特别是在频繁执行这些操作的情况下，性能影响可能更为显著。

由于 ArrayList 是一个非泛型集合，它可以存储任何类型的对象。但这种类型的不确定性会导致运行时错误，并且需要频繁的类型转换。因此，在需要存储不同类型数据的场景中可以使用 ArrayList，但现代的 .NET 开发中，推荐使用泛型集合，如 List< T >，因为它们提供了类型安全和更好的性能。

随着泛型的普及，可以通过使用泛型集合（如 List< T >）来避免许多不必要的装箱和拆箱操作。

1.7 其他简单结构类

ArrayList、Queue、Hashtable等也是类似的：

• 都位于命名空间：using System.Collections;
• 内部使用object数组实现，所以元素可以是任意类型。这会导致装箱、拆箱的问题，带来性能开销。
• 都有对应的更加安全的泛型类，例如Stack< T >、Queue< T >、HashSet< T >。