C# 结构体介绍、ref struct

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C# 中的结构体(Struct)是一种值类型数据结构,用于封装不同或相同类型的数据成一个单一的实体。结构体非常适合用来表示轻量级的对象,比如坐标点、颜色值或者复杂的数值类型,因为它们不需要额外的堆分配(与类相比),这可以提高性能。

下面是使用结构体的一些基本概念:

定义结构体

结构体通过 struct 关键字来定义。一个结构体可以包含字段、方法、属性、索引器、运算符、事件和构造函数。

在VS2022中定义结构体和定义类一样,也是右键添加类,文件产生后把class改为struct即可,例如下面定义了一个Point结构体:

csharp 复制代码
namespace struct01
{
    public struct Point
    {
        public int X;
        public int Y;

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

        public override string ToString()
        {
            return $"({X}, {Y})";
        }
    }
}

实例化结构体

结构体可以通过默认构造函数(无参数的构造函数)或者自定义的构造函数来实例化:

csharp 复制代码
// 默认构造函数
Point p1 = new Point();

// 自定义构造函数
Point p2 = new Point(10, 20);

结构体的值类型特性

由于结构体是值类型,当一个结构体实例分配给另一个变量时,其值会被复制。这意味着两个变量将引用两个独立的数据副本。

csharp 复制代码
 Point p3 = new Point(30, 31);
 Point p4 = p3; // p4 是 p3 的副本
 p3.X = 303;     // 结构体是值类型,只修改了 p3 的 X 值,p4 的 X 值不变

 Console.WriteLine($"p4.X: {p4.X}");

在上面代码中,因为结构体是值类型,修改了 p3 的 X 值,p4 的 X 值不变。

C#中类是引用类型,例如下面的类CPoint:

csharp 复制代码
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace struct01
{
    internal class CPoint
    {
        public int X;
        public int Y;

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

        public override string ToString()
        {
            return $"({X}, {Y})";
        }
    }
}

声明类对象

csharp 复制代码
CPoint cPoint = new CPoint(100, 200);
CPoint cPoint1 = cPoint;

cPoint1.X = 101;  // 类是引用类型,cPoint1 是 cPoint 的引用,修改 cPoint1 的 X 值,cPoint 的 X 值也会改变

Console.WriteLine($"cPoint.X: {cPoint.X}");

类是引用类型,cPoint1 是 cPoint 的引用,修改 cPoint1 的 X 值,cPoint 的 X 值也会改变。

Main函数全部代码如下:

csharp 复制代码
namespace struct01
{
    internal class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("Struct test");

            // 默认构造函数
            Point p1 = new Point();

            // 自定义构造函数
            Point p2 = new Point(10, 20);

            Point p3 = new Point(30, 31);
            Point p4 = p3; // p4 是 p3 的副本
            p3.X = 303;     // 结构体是值类型,只修改了 p3 的 X 值,p4 的 X 值不变

            Console.WriteLine($"p4.X: {p4.X}");

            CPoint cPoint = new CPoint(100, 200);
            CPoint cPoint1 = cPoint;

            cPoint1.X = 101;  // 类是引用类型,cPoint1 是 cPoint 的引用,修改 cPoint1 的 X 值,cPoint 的 X 值也会改变

            Console.WriteLine($"cPoint.X: {cPoint.X}");
        }
    }
}

运行结果如下:

Struct test

p4.X: 30

cPoint.X: 101

结构体和类的区别

结构体是值类型,而类是引用类型。

结构体不支持继承,而类支持。

结构体的实例可以在不使用 new 关键字的情况下创建,这会导致其所有字段被默认初始化,而类的实例必须使用 new。

结构体通常用于较小的数据结构,类适用于较大的复杂对象。

结构体的使用场景:

当你想要封装一小组相关的变量时。

当你知道数据量不大,且不需要扩展的时候。

当性能是一个重要因素,且你希望减少GC(垃圾回收)的压力时。

限制

结构体不能有默认的(无参)构造函数。

结构体不能继承其他的结构体或类,并且不能作为基础结构体或类。

结构体成员不能指定为 abstract, virtual, 或 protected.

使用结构体的一个关键点就是要理解值类型与引用类型的区别。值类型存储在栈上,而引用类型存储在堆上,这影响了性能和资源的使用。适当地使用结构体可以提高应用程序的性能。

ref struct

在 C# 中,ref struct 是一个特别的结构类型,可以确保实例只存在于栈上,而不是在堆上。这对于某些高性能场景非常有用,因为可以减少垃圾回收造成的开销。ref struct 是在 C# 7.2 中引入的,作为一种增强内存管理和效率的工具。

ref struct 的特性:

  1. 只能在栈上分配。不可在堆上分配。
  2. 不能作为类、普通结构或数组的成员。
  3. 不能作为其他 ref struct 的字段,除非该字段被标记为 ref
  4. 不能被装箱或者转换为 ObjectValueTypeSystem.Enum
  5. 不能实现接口。
  6. 不能被用作闭包变量(也就是不能被捕获到 lambda 表达式或本地函数中)。

下面是一个 ref struct 的示例:

csharp 复制代码
public ref struct RefStructExample
{
    public int X;
    public int Y;
}

public class Program
{
    public static void Main()
    {
        // 使用 ref struct
        RefStructExample example = new RefStructExample { X = 10, Y = 20 };

        Console.WriteLine(example.X);  // 输出 10
        Console.WriteLine(example.Y);  // 输出 20
    }
}

这里,RefStructExample 是一个 ref struct,并且有两个字段 XY。在 Main 函数中,我们创建了一个 RefStructExample 的实例,并分别为 XY 赋值。

请注意,尽管 ref struct 提供了一些性能优势,但是由于其限制性很强,它只应在确实需要的情况下使用。如果你的代码不受性能限制,或者你不需要详细控制内存管理,那么通常不需要 ref struct

另外 ref struct 在 C# 中被引入是为了支持特殊的性能优化场景。特别是在 Span<T> 和相关类型的实现中,ref struct 被用来确保只在栈上进行内存分配。

Span<T> 是一个表示连续内存区域的新类型,它可以指向托管内存、非托管内存、堆栈内存等。它提供了一种统一的方法来处理各种内存,而不需要复制或转换数据。

下面是一个 Span<T> 的使用示例:

csharp 复制代码
public class Program
{
    public static void Main()
    {
        // 创建一个数组
        int[] array = new[] { 1, 2, 3, 4, 5 };

        // 创建一个指向数组的 Span
        Span<int> span = array.AsSpan();

        // 修改 Span 的内容
        span[0] = 10;

        // 输出原始数组的内容
        Console.WriteLine(string.Join(", ", array));  // 输出:10, 2, 3, 4, 5
    }
}

在这个例子中,我们首先创建了一个数组,然后使用 AsSpan 方法创建了一个 Span<int>。接着,我们修改了 Span 中的一个元素。最后,我们打印出原始数组的内容,可以看到数组的内容也被修改了。这是因为 Span 是直接指向原始内存的,而不是复制或转换数据。

这就是 ref structSpan<T> 的一种用途。它们为 C# 的内存管理带来了更大的灵活性,尤其是在处理大数据和高性能计算的场景中。

但是,ref struct 的使用场景相对有限,因为它们在内存管理上的限制(只能在栈上分配,不能作为类的字段等)。所以,一般只有在你非常清楚你正在做什么,并且确实需要这种性能优化的情况下,才会使用 ref struct

ref return

C# 中的 ref return 又称引用返回,它允许一个方法返回对象的引用而不是对象的值。这意味着返回的引用可以用来修改该对象。ref return 在 C# 7.0 中引入,主要用于优化性能,特别是在处理大型结构时,因为它避免了值类型的复制。

这是一个 ref return 的例子:

csharp 复制代码
public class Program
{
    static int[] array = new[] { 1, 2, 3 };

    static ref int GetArrayElement(int index)
    {
        return ref array[index];
    }

    public static void Main()
    {
        // 获取数组的第一个元素的引用
        ref int firstElement = ref GetArrayElement(0);

        // 修改引用的值
        firstElement = 10;

        // 输出数组的内容
        Console.WriteLine(string.Join(", ", array));  // 输出:10, 2, 3
    }
}

在这个例子中,GetArrayElement 方法返回数组元素的引用。在 Main 方法中,我们获取了数组的第一个元素的引用,并修改了它的值。然后我们打印出数组的内容,可以看到数组的第一个元素已经被修改。

ref return 的主要用途是提高性能。当处理大型结构时,复制可能会消耗大量的时间和内存,使用 ref return 可以避免这种复制。但是,这也意味着你需要更小心地管理内存,因为返回的引用可以用来修改原始对象。

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