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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
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 $"({X}, {Y})";
}
}
}
实例化结构体
结构体可以通过默认构造函数(无参数的构造函数)或者自定义的构造函数来实例化:
csharp
// 默认构造函数
Point p1 = new Point();
// 自定义构造函数
Point p2 = new Point(10, 20);
结构体的值类型特性
由于结构体是值类型,当一个结构体实例分配给另一个变量时,其值会被复制。这意味着两个变量将引用两个独立的数据副本。
csharp
Point p3 = new Point(30, 31);
Point p4 = p3; // p4 是 p3 的副本
p3.X = 303; // 结构体是值类型,只修改了 p3 的 X 值,p4 的 X 值不变
Console.WriteLine($"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
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 $"({X}, {Y})";
}
}
}
声明类对象
csharp
CPoint cPoint = new CPoint(100, 200);
CPoint cPoint1 = cPoint;
cPoint1.X = 101; // 类是引用类型,cPoint1 是 cPoint 的引用,修改 cPoint1 的 X 值,cPoint 的 X 值也会改变
Console.WriteLine($"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
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:
- 只能在栈上分配。不可在堆上分配。
- 不能作为类、普通结构或数组的成员。
- 不能作为其他
ref struct
的字段,除非该字段被标记为ref
。 - 不能被装箱或者转换为
Object
、ValueType
或System.Enum
。 - 不能实现接口。
- 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
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 X
和 Y
。在 Main
函数中,我们创建了一个 RefStructExample
的实例,并分别为 X
和 Y
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
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 struct
和 Span<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
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。