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概要

C# では、int 型などの値型も、object 型として扱えます。 その裏では、「ボックス化」という仕組みが動いています。

サンプル

https://github.com/ufcpp/UfcppSample/tree/master/Chapters/Resource/Boxing

値型/参照型

メモリ管理」で説明しますが、 一般に、メモリの管理方法には「スタック」と「ヒープ」という2種類のものがあります。

スタック/ヒープ

C# では、ローカル変数はスタック上に値を置きます。 この時、変数が「値型」の場合、値すべてがスタック上に置かれます。 一方、「参照型」の場合、実際の値はヒープ上に置かれ、そのヒープ上の場所への参照情報(「ポインター」 )だけがスタック上に置かれます。

値型と参照型、スタックとヒープ
値型と参照型、スタックとヒープ

値型も object

C# では、値型と参照型の扱いを同列にしています。具体的には、値型も object 型から派生しているかのような扱いをしています。

(object 型は参照型です。 値型が参照型である object 型から派生している(ように見える)っていうのは実は変なことだったりします。 実際、他のプログラミング言語では、int (整数)や double (浮動小数点数)などの値型を特別扱いしていて、通常のクラス(object 型から派生)とは区別したりします。 C# でこれが可能なのは、次節で説明する「ボックス化」という仕組みが働くからです。)

例えば、int 型(.NET Framework の Int32 型(System 名前空間)の別名)の定義を除いてみると、以下のようなメソッドを持っています。 これらは、object 型で virtual に定義されているもののオーバーライドです。

    public struct Int32 : IComparable, IFormattable, IConvertible, IComparable<Int32>, IEquatable<Int32>
    {
        public override bool Equals(object obj);
        public override Int32 GetHashCode();
        public override string ToString();
        // 以下略
    }

利用例も挙げておきましょう。以下のようになります。

int x = 5;
Console.WriteLine(x.ToString());
Console.WriteLine(x.GetHashCode());
Console.WriteLine(x.Equals(5));
Console.WriteLine(x.GetType().Name);

この仕様のおかげで、C# では、int 型と string 型とでなどの、値型と参照型での処理の共通化ができます。 以下の例は、型名と値をコンソールに出力するものですが、int 型でも string 型でも受け付けることができます。

using System;

class Program
{
    static void Main()
    {
        Write(5);
        Write("aaa");
    }

    static void Write(object x)
    {
        Console.WriteLine(x.GetType().Name + " " + x.ToString());
    }
}

ボックス化

値型を object 型(object 型は参照型です)に代入できるわけですが、 この時、図2に示すように、値型(スタック上に値がある)から参照型(ヒープ上に値がある)への変換が行われます。 この処理をボックス化(boxing: 箱詰め)と呼びます。

ボックス化(値型を参照型に変換)
ボックス化(値型を参照型に変換)

ヒープに新たに領域を確保して、値をコピーしています。 また、元の値が何の型だったのか(図2の例ではint)わかるように、型情報も付与します。

もちろん、この逆もあります。ボックス化した object から、元の型にキャストすると、ボックス化解除(unboxing)処理がかかります。

int x = 5;
object y = x;   // int を object に。ボックス化が起きる。
int z = (int)y; // object から元の型に。ボックス化解除。

ボックス化解除(object 化した値型を元に戻す)
ボックス化解除(object 化した値型を元に戻す)

ヒープ上にある値を、スタック上にコピーしなおします。 型が間違っていた場合は InvalidCastException 例外(System 名前空間)が発生します。

ボックス化を避ける

一般的に、ヒープ上の領域確保は、スタックと比べると重たい処理です。 値型の利点はスタック上に値を置く(= ヒープを使わない)ことによる性能向上です。 ボックス化(要するに、ヒープ確保)が起きてしまうと、この利点が失われることになります。 できる限り避けるべきです。

ボックス化を避けるといっても、そんなに難しいことはありません。 具体的な型をできる限り指定する(= 値型を object で受け取るのをやめる)だけでボックス化は回避されます。

例えば以下の例を見てください。 2つのメソッド、ObjectWriteLine と IntWriteLine があります。 この2つの差は、引数が object か、int かだけです。 引数が object の方では int から object への変換(つまりボックス化)が起きますが、 引数が int の方では起きません。 ToString メソッド(object の仮想メソッド)の呼び出しも、型が明示されている限り、int.ToString (int 側でオーバーライドしたもの)が直接呼ばれます。

using System;

class Program
{
    static void Main()
    {
        ObjectWriteLine(5);
        IntWriteLine(5);
    }

    static void ObjectWriteLine(object x)
    {
        // object.ToString が呼ばれる
        // 値型に対してはボックス化が必要
        Console.WriteLine(x.ToString());
    }

    static void IntWriteLine(int x)
    {
        // こういう場合は、int.ToString が直接呼ばれる
        // virtual メソッドだからといって、必ず virtual に呼ばれるわけじゃない
        // コンパイルの時点で型が確定してるなら、非 virtual にメソッドを呼ぶ
        Console.WriteLine(x.ToString());
    }
}

型を明示的に指定するには、「ジェネリック」を使うのも重要です。 以下の例では、ジェネリック版と非ジェネリック版の2つのメソッドがあって、ほぼ同じ処理を書いていますが、 ジェネリック版ではボックス化が起きません。

using System;

class Program
{
    static void Main()
    {
        Console.WriteLine(CompareTo((IComparable)5, 6));
        Console.WriteLine(CompareTo((IComparable<int>)5, 6));
    }

    static int CompareTo(IComparable x, int value)
    {
        // IComparable.CompareTo(object) が呼ばれる。
        // value がボックス化される
        return x.CompareTo(value);
    }

    static int CompareTo(IComparable<int> x, int value)
    {
        // IComparable<int>.CompareTo(int) が呼ばれる。
        // value は int のまま渡される
        return x.CompareTo(value);
    }
}

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