C# 中的 Struct：深入解析与最佳实践

内存分配- Struct：值类型，存储在栈上（或作为值类型字段存储在堆上），访问速度更快，因为不需要额外的指针间接访问。- Class：引用类型，存储在堆上，通过引用访问，需要额外的内存开销来存储对象引用。2. 继承- Struct：不能继承其他类或结构体，但可以实现接口。它隐式继承自 System.ValueType，而 System.ValueType 又继承自 System.Object。- Class：可以继承其他类或实现接口，支持多态性。3. 默认构造函数- Struct：编译器会自动生成一个默认构造函数，该构造函数将所有字段初始化为其默认值。不能自定义无参构造函数，但可以定义带参数的构造函数。- Class：如果没有定义构造函数，编译器会生成一个默认的无参构造函数。可以自定义无参或带参数的构造函数。

一、目录

基础概念
- 什么是 Struct
- Struct 与 Class 的区别
使用方法
- 定义 Struct
- 实例化 Struct
- Struct 的字段和属性
常见实践
- 在集合中使用 Struct
- 作为方法参数
最佳实践
- 何时使用 Struct
- 避免的陷阱
小结

二、基础概念

什么是 Struct

在 C# 中，struct 是一种值类型的数据结构。它可以包含字段、属性、方法等成员，用于将相关的数据组合在一起。与类（class）不同，struct 实例直接存储在栈上（在某些情况下也可能存储在堆上，例如作为引用类型的字段），而类实例存储在堆上，通过引用访问。

Struct 与 Class 的区别

内存分配
- Struct：值类型，存储在栈上（或作为值类型字段存储在堆上），访问速度更快，因为不需要额外的指针间接访问。
- Class：引用类型，存储在堆上，通过引用访问，需要额外的内存开销来存储对象引用。
继承
- Struct：不能继承其他类或结构体，但可以实现接口。它隐式继承自 System.ValueType，而 System.ValueType 又继承自 System.Object。
- Class：可以继承其他类或实现接口，支持多态性。
默认构造函数
- Struct：编译器会自动生成一个默认构造函数，该构造函数将所有字段初始化为其默认值。不能自定义无参构造函数，但可以定义带参数的构造函数。
- Class：如果没有定义构造函数，编译器会生成一个默认的无参构造函数。可以自定义无参或带参数的构造函数。

三、使用方法

定义 Struct

定义一个 struct 非常简单，使用 struct 关键字后跟结构体名称，然后在花括号内定义其成员。

struct Point
{
    public int X;
    public int Y;

    public Point(int x, int y)
    {
        X = x;
        Y = y;
    }
}

在上述示例中，定义了一个名为 Point 的结构体，它有两个公共字段 X 和 Y，并且定义了一个带参数的构造函数来初始化这两个字段。

实例化 Struct

可以通过以下两种方式实例化一个 struct：

// 方式一：使用默认构造函数
Point point1 = new Point();
point1.X = 10;
point1.Y = 20;

// 方式二：使用带参数的构造函数
Point point2 = new Point(30, 40);

Struct 的字段和属性

除了字段，struct 也可以定义属性来提供对数据的封装和控制。

struct Rectangle
{
    private int width;
    private int height;

    public int Width
    {
        get { return width; }
        set { width = value; }
    }

    public int Height
    {
        get { return height; }
        set { height = value; }
    }

    public Rectangle(int w, int h)
    {
        width = w;
        height = h;
    }
}

在上述 Rectangle 结构体中，定义了两个私有字段 width 和 height，并通过属性 Width 和 Height 来访问和修改这些字段，提供了更好的数据封装。

四、常见实践

在集合中使用 Struct

struct 在集合中使用非常常见，例如 List<T>、Dictionary<TKey, TValue> 等。由于 struct 是值类型，在集合中存储时可以提高内存使用效率。

using System;
using System.Collections.Generic;

struct Person
{
    public string Name;
    public int Age;

    public Person(string name, int age)
    {
        Name = name;
        Age = age;
    }
}

class Program
{
    static void Main()
    {
        List<Person> people = new List<Person>();
        people.Add(new Person("Alice", 25));
        people.Add(new Person("Bob", 30));

        foreach (var person in people)
        {
            Console.WriteLine($"Name: {person.Name}, Age: {person.Age}");
        }
    }
}

作为方法参数

struct 可以作为方法的参数传递。由于是值类型，传递时是按值传递，方法内部对参数的修改不会影响到外部的原始值。

struct Circle
{
    public double Radius;

    public Circle(double radius)
    {
        Radius = radius;
    }
}

class Geometry
{
    public static double CalculateArea(Circle circle)
    {
        return Math.PI * circle.Radius * circle.Radius;
    }
}

class Program
{
    static void Main()
    {
        Circle myCircle = new Circle(5);
        double area = Geometry.CalculateArea(myCircle);
        Console.WriteLine($"Area of the circle: {area}");
    }
}

五、最佳实践

何时使用 Struct

数据量小且生命周期短：如果数据量较小且在方法内部或短时间内使用，struct 可以提高性能，因为其内存分配和释放成本较低。
表示简单的数据结构：如几何点、尺寸、颜色等简单的数据组合，struct 是一个很好的选择，因为它们不需要复杂的继承和多态特性。
提高内存使用效率：在集合中存储大量相同类型的数据时，struct 可以减少内存开销，因为它们直接存储在栈上或作为值类型字段存储在堆上。

避免的陷阱

避免大型 Struct：如果 struct 包含大量的数据成员，会导致栈溢出风险增加，并且按值传递时性能会下降。此时应考虑使用类。
注意装箱和拆箱：当 struct 被转换为 object（装箱）或从 object 转换回 struct（拆箱）时，会有性能开销。尽量避免不必要的装箱和拆箱操作。

六、小结

在 C# 中，struct 是一种强大的值类型数据结构，具有独特的内存分配和使用特性。通过理解其基础概念、使用方法、常见实践以及最佳实践，开发人员可以在适当的场景中高效地使用 struct，提高程序的性能和内存使用效率。在实际应用中，需要根据具体需求仔细权衡 struct 和 class 的使用，以达到最佳的编程效果。

希望本文能帮助读者更深入地理解和运用 C# 中的 struct，在编程实践中发挥其优势，避免潜在的问题。