使用 IL 實(shí)現(xiàn)類型轉(zhuǎn)換

在之前的文章中，我大致介紹過一些類型間的隱式和顯式類型轉(zhuǎn)換規(guī)則。但當(dāng)時并未很仔細(xì)的研究過《CSharp Language Specification》，因此實(shí)現(xiàn)并不完整。而且只部分解決了類型間能否進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換，仍未解決到底該如何進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換，尤其是在定義泛型類型時，我們明明知道泛型類型的參數(shù)是什么類型，但就是不能直接進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換：

if (typeof(T) == typeof(int)) {    int intValue = (int)value; // 錯誤：無法將類型“T”轉(zhuǎn)換為“int”}

只能通過object類型“中轉(zhuǎn)”一下才行：

if (typeof(T) == typeof(int)) {    int intValue = (int)(object)value;}

這里是利用了值類型的裝箱/拆箱操作規(guī)避了錯誤。但如果想更通用些呢？比如，我知道char類型是可以隱式轉(zhuǎn)換為int類型的，那我能不能也這么寫呢：

if (typeof(T) == typeof(int) || typeof(T) == typeof(char)) {    int intValue = (int)(object)value;}

可惜，如果value是char類型，那么在運(yùn)行時會報(bào)異常: System.InvalidCastException: 指定的轉(zhuǎn)換無效。必須把不同類型分開寫的。這是因?yàn)榇蟛糠诸愋娃D(zhuǎn)換的 IL 代碼都是在編譯期就完全確定了的，在運(yùn)行時只能進(jìn)行兼容的引用類型轉(zhuǎn)換（CastClass）和裝箱/拆箱（Box/Unbox）轉(zhuǎn)換。

為了增強(qiáng)和簡化運(yùn)行時的類型轉(zhuǎn)換，我仔細(xì)研究了一下《CSharp Language Specification》和 IL，利用System.Reflection.Emit實(shí)現(xiàn)了一套在運(yùn)行時動態(tài)生成 IL 進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換的框架，能夠在運(yùn)行時實(shí)現(xiàn)與編譯器基本相同的類型轉(zhuǎn)換支持，并對泛型類型提供了完整的支持，例如下面的將任意數(shù)字類型轉(zhuǎn)換為ulong：

// 假設(shè)這里的 TValue 保證是數(shù)字類型。public ulong ToUInt64<TValue>(TValue value) {    return Convert.ChangeType<TValue, ulong>(value);}

類型轉(zhuǎn)換的主要接口是Convert 類，可以完整兼容各種數(shù)值類型轉(zhuǎn)換、隱式/顯式引用類型轉(zhuǎn)換和用戶自定義類型轉(zhuǎn)換，主要包含的功能有：

• 獲取類型轉(zhuǎn)換器：GetConverter<TInput, TOutput>()和GetConverter(Type inputType, Type outputType)，得到的Converter<TInput, TOutput>委托可以直接用于類型轉(zhuǎn)換。
• 直接進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換：ChangeType<TInput, TOutput>(TInput value)、ChangeType<TOutput>(object value)和ChangeType(object value, Type outputType)。
• 判斷能否進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換：CanChangeType(Type inputType, Type outputType)。
• 運(yùn)行時添加類型轉(zhuǎn)換方法：AddConverter<TInput, TOutput>(Converter<TInput, TOutput> converter)和AddConverterPRovider(IConverterProvider provider)。

所有的類型轉(zhuǎn)換，都是利用System.Reflection.Emit動態(tài)生成 IL 實(shí)現(xiàn)的，保證了類型轉(zhuǎn)換的效率。因此，也得以同時提供了ILGenerator 類的擴(kuò)展方法EmitConversion，可以在生成 IL 代碼時也能夠進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換。

以上的所有代碼，都可以在Cyjb.Conversions和Cyjb.Reflection命名空間中找到。

接下來，我會簡要介紹一下是如何使用 IL 實(shí)現(xiàn)類型轉(zhuǎn)換的。

一、預(yù)定義的類型轉(zhuǎn)換

根據(jù)《CSharp Language Specification》，預(yù)定義的類型轉(zhuǎn)換主要包括：標(biāo)識轉(zhuǎn)換、隱式數(shù)值轉(zhuǎn)換、隱式枚舉轉(zhuǎn)換、可空類型（Nullable<T>）的隱式轉(zhuǎn)換、隱式引用轉(zhuǎn)換、裝箱轉(zhuǎn)換、顯式數(shù)值轉(zhuǎn)換、顯式枚舉轉(zhuǎn)換、可空類型的顯式轉(zhuǎn)換、顯式引用轉(zhuǎn)換和拆箱轉(zhuǎn)換這 11 類。由implicit和explicit關(guān)鍵字聲明的用戶自定義類型轉(zhuǎn)換會在下一節(jié)介紹。

規(guī)范中都給出了這些類型轉(zhuǎn)換的處理流程，但如果簡單的按順序判斷這些類型轉(zhuǎn)換，其效率是非常低的。因此我使用下圖所示的算法來進(jìn)行判斷：

圖 1 預(yù)定義類型轉(zhuǎn)換判斷算法

預(yù)定義類型轉(zhuǎn)換用到的 IL 指令一般比較簡單，基本就是castclass、box和unbox指令，復(fù)雜一些的就是隱式/顯式數(shù)值轉(zhuǎn)換和可空類型的轉(zhuǎn)換。

隱式/顯式數(shù)值轉(zhuǎn)換我總結(jié)了下面的表格，其實(shí)現(xiàn)基本就是查表格的過程。表格的上方是不進(jìn)行溢出檢查的 IL 指令，下方是進(jìn)行溢出檢查的 IL 指令，空格表示無需插入 IL 指令即可進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換；綠色背景表示隱式數(shù)值轉(zhuǎn)換，黃色背景表示顯式數(shù)值轉(zhuǎn)換：

圖 2 隱式/顯式數(shù)值轉(zhuǎn)換

注意數(shù)值轉(zhuǎn)換有溢出檢查的區(qū)分（checked/unchecked），而且表格中并未列出Decimal類型，因?yàn)镈ecimal類型與其它數(shù)值類型間的轉(zhuǎn)換依靠的是使用 implicit/explicit 定義的類型轉(zhuǎn)換方法，不適合使用查表的方法。

可空類型的轉(zhuǎn)換，可以分為三種情況（設(shè)S、T都是非可空的值類型）：

1. 從S?到T?的顯式類型轉(zhuǎn)換，其過程為：
   • 如果輸入值是null，那么結(jié)果為T?類型的null。
   • 否則將S?解包為S，然后執(zhí)行從S到T的類型轉(zhuǎn)換，最后從T包裝為T?。
2. 從S?到T的隱式/顯式類型轉(zhuǎn)換，其過程為：
   • 若輸入值是null，那么引發(fā)異常。
   • 否則將S?解包為S，然后執(zhí)行從S到T的類型轉(zhuǎn)換。
3. 從S到T?的隱式/顯式類型轉(zhuǎn)換，先執(zhí)行從S到T的類型轉(zhuǎn)換，然后從T包裝為T?。

可空類型的轉(zhuǎn)換，可參見BetweenNullableConversion.cs、FromNullableConversion.cs和ToNullableConversion.cs。

二、用戶自定義類型轉(zhuǎn)換

這里指的就是由implicit和explicit關(guān)鍵字聲明的用戶自定義類型轉(zhuǎn)換方法。下面介紹的算法來自《CSharp Language Specification》6.4.5 User-defined explicit conversions，我并不會區(qū)分是隱式類型轉(zhuǎn)換還是顯式類型轉(zhuǎn)換，因?yàn)樵谶\(yùn)行時這樣的區(qū)分并不重要。

首先需要明確一些概念。

提升轉(zhuǎn)換運(yùn)算符：如果存在從不可空值類型S到不可空值類型T的用戶自定義類型轉(zhuǎn)換運(yùn)算符，那么存在從S?轉(zhuǎn)換為T?的提升轉(zhuǎn)換運(yùn)算符。這個提升轉(zhuǎn)換運(yùn)算符執(zhí)行從S?到S的解包，接著是從S到T的用戶自定義類型轉(zhuǎn)換，然后是從T到T?的包裝；若是S?的值為null，那么直接轉(zhuǎn)換為值為null的T?。

包含/被包含：若A類型可以隱式類型轉(zhuǎn)換（指預(yù)定義的類型轉(zhuǎn)換）為B類型，而且A和B都不是接口，那么就稱A被B包含，而B包含A。

包含程度最大：在給定類型集合中，包含程度最大的類型可以包含集合中的所有其它類型。如果沒有某個類型可以包含集合中的所有其它類型，那么就不存在包含程度最大的類型。更直觀的說，包含程度最大的類型就是集合中最“廣泛”的類型——其它類型都可以隱式轉(zhuǎn)換為它。

被包含程度最大：在給定類型集合中，被包含程度最大的類型可以被集合中的所有其它類型包含。如果沒有某個類型可以被集合中的所有其它類型包含，那么就不存在被包含程度最大的類型。更直觀的說，被包含程度最大的類型就是集合中最“精確”的類型——它可以隱式轉(zhuǎn)換為其它類型。

從S類型到T類型的用戶自定義顯式類型轉(zhuǎn)換按下面這樣處理：

1. 確定類型S0和T0。如果S或T是可空類型，則S0和T0就是它們的基礎(chǔ)類型；否則S0和T0分別等于S和T。得到S0和T0是為了在其中查找用戶自定義的隱式/顯式類型轉(zhuǎn)換運(yùn)算符。
2. 找到類型集合D，將從該集合中查找用戶自定義類型轉(zhuǎn)換運(yùn)算符。此集合由S0（如果S0是類或結(jié)構(gòu)體）、S0的所有基類（如果S0是類）、T0（如果T0是類或結(jié)構(gòu)體）和T0的所有基類（如果T0是類）組成。這里包含S0和T0的基類，是因?yàn)?code>S和T也可以使用基類中聲明的類型轉(zhuǎn)換運(yùn)算符。
3. 查找適用的用戶自定義類型轉(zhuǎn)換運(yùn)算符和提升轉(zhuǎn)換運(yùn)算符集合U。此集合由在D中的類或結(jié)構(gòu)內(nèi)聲明的隱式/顯式用戶自定義類型轉(zhuǎn)換運(yùn)算符和提升轉(zhuǎn)換運(yùn)算符組成，用于從包含S或被S包含的類型（即S、S的基類、S實(shí)現(xiàn)的接口或S的子類）轉(zhuǎn)換為包含T或被T包含的類型。如果U為空，則產(chǎn)生未定義轉(zhuǎn)換的錯誤。
4. 在U中查找運(yùn)算符的最精確的源類型SX：
   • 如果U中存在某一運(yùn)算符從S轉(zhuǎn)換，則SX為S。
   • 否則，如果U中存在某一運(yùn)算符從包含S的類型轉(zhuǎn)換，那么SX是這類運(yùn)算符的源類型中被包含程度最大的類型。如果無法恰好找到一個被包含程度最大的類型，則產(chǎn)生不明確的轉(zhuǎn)換的錯誤。這里找到的是距離S最近的包含S的類型。
   • 否則，U中的運(yùn)算符都是從被S包含的類型轉(zhuǎn)換的，那么SX是U中運(yùn)算符的源類型中包含程度最大的類型。如果無法恰好找到一個包含程度最大的類型，則產(chǎn)生不明確的轉(zhuǎn)換的錯誤。這里找到的是距離S最近的被S包含的類型。
5. 在U中查找運(yùn)算符的最精確的目標(biāo)類型TX：
   • 如果U中存在某一運(yùn)算符轉(zhuǎn)換為T，則TX為T。
   • 否則，如果U中存在某一運(yùn)算符轉(zhuǎn)換到被T包含的類型，那么TX是這類運(yùn)算符的目標(biāo)類型中包含程度最大的類型。如果無法恰好找到一個包含程度最大的類型，則產(chǎn)生不明確的轉(zhuǎn)換的錯誤。這里找到的是上距離T最近的被T包含的類型。
   • 否則，U中的運(yùn)算符都是轉(zhuǎn)換到包含T的類型，那么TX是U中運(yùn)算符的目標(biāo)類型中被包含程度最大的類型。如果無法恰好找到一個被包含程度最大的類型，則產(chǎn)生不明確的轉(zhuǎn)換的錯誤。這里找到的是距離T最近的包含T的類型。
6. 查找最精確的轉(zhuǎn)換運(yùn)算符：
   • 如果U中只包含一個從SX轉(zhuǎn)換到TX的用戶自定義類型轉(zhuǎn)換運(yùn)算符，那么這就是最精確的轉(zhuǎn)換運(yùn)算符。
   • 否則，如果U只包含一個從SX轉(zhuǎn)換到TX的提升轉(zhuǎn)換運(yùn)算符，則這就是最精確的轉(zhuǎn)換運(yùn)算符。
   • 否則產(chǎn)生不明確的轉(zhuǎn)換的錯誤。
7. 最后，應(yīng)用轉(zhuǎn)換：
   • 如果S不是SX，則執(zhí)行從S到SX的標(biāo)準(zhǔn)顯式轉(zhuǎn)換。
   • 調(diào)用最精確轉(zhuǎn)換運(yùn)算符，以從SX轉(zhuǎn)換到TX。
   • 如果TX不是T，則執(zhí)行從TX到T的標(biāo)準(zhǔn)顯式轉(zhuǎn)換。

該算法可參見UserConversionCache.cs。

三、額外的用戶自定義類型轉(zhuǎn)換

上面所述的兩類方法，都是在編譯時已經(jīng)完全確定的類型轉(zhuǎn)換方法。Convert 類額外提供了兩個接口，可以提供任意的類型轉(zhuǎn)換方法。

AddConverter<TInput, TOutput>(Converter<TInput, TOutput> converter)方法可以將任意類型轉(zhuǎn)換方法注冊進(jìn)來，而AddConverterProvider(IConverterProvider provider)方法可以注冊類型轉(zhuǎn)換方法的提供者，可以批量提供與某一類型相關(guān)的類型轉(zhuǎn)換方法（示例可以參見StringConverterProvider.cs，提供了與字符串相關(guān)的類型轉(zhuǎn)換方法）。

注意：優(yōu)先級最高的是上面的預(yù)定義類型轉(zhuǎn)換方法和用戶自定義類型轉(zhuǎn)換方法，其次是由AddConverter方法注冊的類型轉(zhuǎn)換方法，然后是IConverterProvider的GetConverterTo提供的類型轉(zhuǎn)換方法，最后是