原文连接：https://mattwarren.org/2017/08/02/A-look-at-the-internals-of-boxing-in-the-CLR/ 作者 Matt Warren。授权翻译，转载请保留原文链接。
它是.NET的基本组成部分，并且经常会在你不知情的情况下发生，但是它实际上是如何工作的呢？.NET运行时做了什么才使得装箱成为可能？
注意：本文不会讨论如何检测装箱，以及它是如何影响性能的或者如何避免装箱发生（和Ben Adams来讨论这些吧！）。本文只谈论装箱是如何工作的。
顺便说一句，如果你喜欢读一些关于CLR内部实现的内容，你会发现下面的文章会很有趣：
- How the .NET Runtime loads a Type
- Arrays and the CLR - a Very Special Relationship
- The CLR Thread Pool ‘Thread Injection’ Algorithm
- The 68 things the CLR does before executing a single line of your code
- How do .NET delegates work?
- Why is reflection slow?
- How does the ‘fixed’ keyword work?
CLR规范中的装箱
首先值得指出的是，装箱是CLR规范“ECMA-335”的要求，因此运行时必须提供：
这意味着CLR需要处理一些关键事项，我们将在本文的后续部分中进行探讨。
创建“装箱”类型
运行时首先需要为每一个它加载的struct创建一个对应的引用类型（“装箱类型”）。
你可以在运行时创建“方法表”的方法中找到一个实际的案例，在该方法中，运行时首先会检查它是否在处理“值类型”，然后进行相应的操作。因此，任何struct的“装箱类型”都是在导入.dll时预先创建的，之后它们可以在程序执行期间被用于“装箱”操作。
上文引用的代码中的注释非常有趣，因为它揭示了运行时必须处理的一些底层细节：
// Check to see if the class is a valuetype; but we don't want to mark System.Enum
// as a ValueType. To accomplish this, the check takes advantage of the fact
// that System.ValueType and System.Enum are loaded one immediately after the
// other in that order, and so if the parent MethodTable is System.ValueType and
// the System.Enum MethodTable is unset, then we must be building System.Enum and
// so we don't mark it as a ValueType.特定CPU的代码生成
但是，为了了解程序执行期间会发生什么，让我们从一个简单的C#程序开始。 下面的代码创建了一个自定义的struct或者说值类型，然后对其“装箱”和“拆箱”：
public struct MyStruct
{
public int Value;
}
var myStruct = new MyStruct();
// boxing
var boxed = (object)myStruct;
// unboxing
var unboxed = (MyStruct)boxed;
以上的C#代码将变成以下IL代码，在其中你可以看到box和unbox.any 这2个IL指令：
L_0000: ldloca.s myStruct
L_0002: initobj TestNamespace.MyStruct
L_0008: ldloc.0
L_0009: box TestNamespace.MyStruct
L_000e: stloc.1
L_000f: ldloc.1
L_0010: unbox.any TestNamespace.MyStructRuntime and JIT code
那么，JIT如何处理这些IL操作码呢？ 通常情况下，它会连接（wires up)并内联(inline)运行时提供的“JIT Helper 方法“——经过优化并且手写的汇编代码。 下面的链接会带你进入CoreCLR源代码中的相关代码行：
- 特定CPU的优化版本（会在运行时进行wired-up）
- JIT_BoxFastMP_InlineGetThread (AMD64 - multi-proc or Server GC, implicit TLS)
- JIT_BoxFastMP (AMD64 - multi-proc or Server GC)
- JIT_BoxFastUP (AMD64 - single-proc and Workstation GC)
- JIT_TrialAlloc::GenBox(..) (x86), which is independently wired-up
- 在常见情况下，JIT内联“helper“函数调用，请参见Compiler :: impImportAndPushBox（..）
- 最通用的则是用作后备的未优化版本，MethodTable::Box(..)
- 最终会调用CopyValueClassUnchecked(..)
- 和Stack Overflow上的问题“Why is struct better with being less than 16 bytes?“的答案相关。
有趣的是，唯一得到这种“JIT Helper 方法“特殊待遇是object，string以及array的分配，这恰好说明了装箱对性能的敏感性。
作为对比，“拆箱“只有一个叫做JIT_Unbox(..)的”helper方法“，在一些不常见的情况下有可能会使用JIT_Unbox_Helper(..)作为后备方法。它的连接可以查看这里（ CORINFO_HELP_UNBOX 到 JIT_Unbox ）。在常见的情况下，JIT也会将这个helper方法进行内联以节约方法调用的开销，详情查看Compiler::impImportBlockCode(..)。
请注意，“Unbox helper”仅获取“装箱”数据的引用/指针，然后必须将其放入堆栈中。 正如我们在上面看到的，当C#编译器执行拆箱操作时，它使用的是“Unbox_Any”操作码，而不仅是“Unbox”，请参见Unboxing does not create a copy of the value以获取更多信息。（Unbox_Any等价于unbox操作之后再执行ldobj操作，即拷贝操作——译者注）。
创建拆箱存根
除了对一个struct进行“装箱”和“拆箱”外，运行时同样需要在一个类型处于“装箱”的时间内提供帮助。要了解这样说的原因，让我们来拓展MyStruct并且对ToString()方法进行重写，以使得它显示当前Value的值：
public struct MyStruct
{
public int Value;
public override string ToString()
{
return "Value = " + Value.ToString();
}
}
现在，如果我们查看运行时为装箱版本的MyStruct创建的“方法表”（请记住，值类型没有“方法表”），我们会发现发生了一些奇怪的事情。 请注意，MyStruct::ToString有2个条目，我将其中之一标记为“拆箱存根”
Method table summary for 'MyStruct':
Number of static fields: 0
Number of instance fields: 1
Number of static obj ref fields: 0
Number of static boxed fields: 0
Number of declared fields: 1
Number of declared methods: 1
Number of declared non-abstract methods: 1
Vtable (with interface dupes) for 'MyStruct':
Total duplicate slots = 0
SD: MT::MethodIterator created for MyStruct (TestNamespace.MyStruct).
slot 0: MyStruct::ToString 0x000007FE41170C10 (slot = 0) (Unboxing Stub)
slot 1: System.ValueType::Equals 0x000007FEC1194078 (slot = 1)
slot 2: System.ValueType::GetHashCode 0x000007FEC1194080 (slot = 2)
slot 3: System.Object::Finalize 0x000007FEC14A30E0 (slot = 3)
slot 5: MyStruct::ToString 0x000007FE41170C18 (slot = 4)
<-- vtable ends here（完整版戳）
那么，这个“拆箱存根”是什么？为什么需要？
之所以需要它，是因为如果你在装箱版的MyStruct上调用ToString()方法，会调用在MyStruct内声明的重写方法（这是你想要执行的操作），而不是Object::ToString()的版本。 但是，MyStruct::ToString()希望能够访问struct中的任何字段，例如本例中的Value。 为此，运行时/JIT必须在调用MyStruct::ToString()之前调整this指针，如下图所示：
1. MyStruct: [0x05 0x00 0x00 0x00]
| Object Header | MethodTable | MyStruct |
2. MyStruct (Boxed): [0x40 0x5b 0x6f 0x6f 0xfe 0x7 0x0 0x0 0x5 0x0 0x0 0x0]
^
object 'this' pointer |
| Object Header | MethodTable | MyStruct |
3. MyStruct (Boxed): [0x40 0x5b 0x6f 0x6f 0xfe 0x7 0x0 0x0 0x5 0x0 0x0 0x0]
^
adjusted 'this' pointer | 图的关键点
- 原始的struct，在栈上。
- struct被装箱到一个存在在堆上的object。
- 调整this指针，以使MyStruct::ToString()能够正常工作。
（如果你想了解更多.NET object的内部机制，可以查看这篇有用的文章）
我们可以在下面的代码链接中看到这一点，请注意，存根仅由一些汇编指令组成（它不如方法调用那么繁重），并且有特定于CPU的版本：
- MethodDesc::DoPrestub(..) (calls
MakeUnboxingStubWorker(..)) - MakeUnboxingStubWorker(..) (calls
EmitUnboxMethodStub(..)to create the stub)
运行时/JIT必须采取这些技巧来帮助维持这样一种错觉，即struct可以像class一样运行，即使它们在底层区别很大。 请参阅Eric Lipperts对 How do ValueTypes derive from Object (ReferenceType) and still be ValueTypes? 问题的回答， 以对此有更多的了解。
希望这篇文章能让你对“装箱”的底层实现有所了解。
进一步阅读
Useful code comments related to boxing/unboxing stubs
- MethodTableBuilder::AllocAndInitMethodDescChunk(..)
- MethodDesc::FindOrCreateAssociatedMethodDesc(..) (in genmeth.cpp)
- Compiler::impImportBlockCode(..)
- Note on different ‘Boxing’ modes, added as part of the work on JIT: modify box/unbox/isinst/castclass expansions for fast jitting
GitHub Issues
- Question: Boxing on stack for function calls
- Boxing Cache?
- Improve the default hash code for structs (read the whole discussion)
- JIT: Fix value type box optimization
- (Discussion) Lightweight Boxing?
Other similar/related articles
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Stack Overflow Questions
- CLR specification on boxing
- How CLR works when invoking a method of a struct
- boxing on structs when calling ToString()
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