C#.NET ref struct 深度解析：语义、限制与最佳实践

简介

ref struct 是 C# 7.2 引入的一种特殊结构体类型， 它与普通 struct 的最大区别是 严格限制其分配位置：

ref struct 只能分配在栈（stack）上，不能分配在堆（heap）上。

⚡ 设计初衷

• 提高性能：栈分配比堆分配快，并且无需 GC 回收。

• 提供安全的内存访问：保证生命周期受控，防止内存泄漏和悬空引用。

• 适用于需要直接操作内存的场景，例如 Span<T>、ReadOnlySpan<T>。

关键特性

• 只能分配在栈上，不能分配在堆上

• 不能作为类的字段

• 不能实现接口

• 不能装箱

• 不能作为异步方法或迭代器的局部变量

基本语法

public ref struct MyStruct
{
    public int X;
    public int Y;

    public void Print() => Console.WriteLine($"{X}, {Y}");
}

与普通 struct 的区别

特性	struct	ref struct
分配位置	栈或堆（例如在类中或装箱时）	只能栈分配
装箱（boxing）	支持（可转为 object）	❌ 禁止
接口实现	支持	❌ 禁止（不能实现接口）
异步方法/迭代器	支持	❌ 不能被 async/yield 捕获
闭包捕获	支持	❌ 禁止
泛型约束	可作为泛型参数	❌ 禁止用作类泛型参数
生命周期	受 GC 管理	完全受栈作用域约束

ref struct 的限制确保它 不会被错误地提升到堆中，保证其生命周期安全。

使用场景

ref struct 非常适合以下 高性能、低开销 的场景：

场景	示例
内存切片	Span<T>、ReadOnlySpan<T>
避免 GC	高频分配和释放的临时数据结构
非托管资源访问	指针操作、stackalloc 分配的缓冲区
网络与数据解析	高性能序列化/反序列化（如 JSON、Protocol Buffers）

典型示例

Span<T>：最常见的 ref struct

Span<T> 是一个表示连续内存区域的类型：

Span<int> numbers = stackalloc int[5] { 1, 2, 3, 4, 5 };
numbers[2] = 99;

foreach (var n in numbers)
    Console.Write($"{n} "); // 输出: 1 2 99 4 5

• stackalloc 在栈上分配内存。

• Span<T> 只能存在于当前方法栈中，离开作用域自动回收。

自定义 ref struct

public ref struct Point
{
    public int X;
    public int Y;

    public double Length => Math.Sqrt(X * X + Y * Y);
}

void Demo()
{
    var p = new Point { X = 3, Y = 4 };
    Console.WriteLine(p.Length); // 5
}

与 stackalloc 配合

public static Span<byte> CreateBuffer()
{
    Span<byte> buffer = stackalloc byte[1024]; // 栈上分配 1KB
    buffer[0] = 42;
    return buffer; // ❌ 错误：不能返回 ref struct
}

返回 Span<T> 会导致栈内存逃逸，因此编译器会报错。

编译器施加的约束

ref struct 的安全限制主要有以下几点：

不能装箱

ref struct MyStruct { }
object o = new MyStruct(); // ❌ 编译错误

因为装箱会将值类型复制到堆上。

不能实现接口

ref struct MyStruct : IDisposable { } // ❌ 编译错误

接口调用可能导致提升到堆，破坏生命周期安全。

不能作为类字段

class MyClass
{
    public Span<int> SpanField; // ❌ 编译错误
}

因为类实例在堆上，而 ref struct 只能存在栈上。

不能用作泛型参数

List<Span<int>> list = new(); // ❌ 编译错误

不能捕获到闭包

Span<int> span = stackalloc int[10];
Action action = () => Console.WriteLine(span[0]); // ❌ 编译错误

闭包会将变量提升到堆中，破坏生命周期。

不能用于异步方法/迭代器

async Task Demo()
{
    Span<int> span = stackalloc int[10]; // ❌ 编译错误
    await Task.Delay(1000);
}

异步状态机会导致变量在堆上存储。

与其他类型对比

特性	class	struct	ref struct
分配位置	堆	栈/堆	仅栈
内存回收	GC	自动回收/GC	自动回收（方法退出时）
接口实现	✅	✅	❌
装箱/拆箱	❌（本身是引用）	✅	❌
异步/闭包	✅	✅	❌
典型代表	String	DateTime	Span<T>, ReadOnlySpan<T>

性能优势

场景	普通 struct	ref struct
分配/释放速度	快	最快（仅栈操作）
GC 压力	可能有（装箱）	无 GC
内存局部性	较好	最佳
生命周期可控性	GC 管理	作用域结束即释放

实战示例：高性能字符串切片

public static int ParseDigits(ReadOnlySpan<char> span)
{
    int value = 0;
    foreach (var c in span)
    {
        if (!char.IsDigit(c)) break;
        value = value * 10 + (c - '0');
    }
    return value;
}

void Demo()
{
    string input = "12345abc";
    var slice = input.AsSpan(0, 5); // 直接操作原字符串内存
    Console.WriteLine(ParseDigits(slice)); // 输出 12345
}

优势：

• 不会产生 Substring 带来的额外堆分配。

• 内存安全且性能接近指针操作。

总结

方面	说明
核心特性	只能分配在栈上，生命周期由作用域严格控制，无 GC 压力
主要限制	不能装箱、不能作为类字段、不能捕获闭包、不能异步/迭代、不能实现接口
典型应用	Span<T>、ReadOnlySpan<T>、高性能内存处理、网络数据解析
最佳实践	使用 using 范围、readonly 修饰、避免逃逸、短生命周期