C#.NET struct 全解析：什么时候该用值类型？

简介

struct 是值类型（Value Type），用于封装一组相关的数据。与类（class）相比，结构体通常更轻量，适用于小型、短生命周期的对象。

⚡ 关键特点：

存储在栈（stack）上（也可能嵌套在堆中，但本质仍是值类型）。
按值传递（赋值/参数传递时会复制整个结构）。
无需垃圾回收（GC），生命周期由作用域决定。
可包含字段、属性、方法、构造函数、运算符重载等。

基本语法

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

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

    public void Move(int dx, int dy)
    {
        X += dx;
        Y += dy;
    }
}

使用：

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Point p1 = new Point(3, 4);
p1.Move(1, 2);
Console.WriteLine($"{p1.X}, {p1.Y}"); // 4, 6

内存模型与分配

分配场景	存储位置	说明
局部变量	栈	最典型场景，生命周期由方法作用域决定
作为类字段	堆	包含在类对象内部，但值本身在堆内存中
数组元素	堆	数组本身在堆上，每个元素紧密排列

即使 struct 位于堆中（例如类字段、数组元素），它仍然是值类型，操作时是按值复制。

与 class 的区别

特性	`class`(引用类型)	`struct`(值类型)
内存分配	堆（GC 管理）	栈/堆中嵌入
传递方式	按引用传递（复制引用）	按值传递（复制整个对象）
默认构造函数	可定义无参/有参	系统提供无参构造，用户不能定义
继承	支持继承/虚方法	不能继承，只能实现接口
空值（null）	可以为 null	不可为 null（除非 `Nullable<T>`）
装箱/拆箱	不涉及	赋值给 `object` 时会装箱
性能	分配慢（GC）	分配快，生命周期短时更高效

构造函数与初始化

默认构造函数

所有结构体都有一个隐式的无参构造函数，将所有字段初始化为默认值（如 0、null）。
用户不能显式定义无参构造函数（C# 10 开始支持，但有限制）。

自定义构造函数

可以定义有参构造函数，但必须初始化所有字段。

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public Point(int x, int y)
{
    X = x;          // 必须全部赋值
    Y = y;
}

结构体的成员

结构体可以包含：

字段（Field）
属性（Property）
方法（Method）
事件（Event）
运算符重载
静态成员
构造函数（但无参构造受限）

不支持：

继承其他类/结构体（只能实现接口）。
明确的析构函数（~Destructor）。

值类型的特性

按值传递

结构体赋值时会复制整个值：

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Point p1 = new Point(1, 2);
Point p2 = p1;   // 复制
p2.X = 99;
Console.WriteLine(p1.X); // 1，不受 p2 修改影响

装箱/拆箱

赋值给 object 或接口时，会将结构体复制到堆中：

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Point p = new Point(1, 2);
object obj = p;      // 装箱：复制到堆
Point p2 = (Point)obj; // 拆箱：从堆复制回栈

装箱/拆箱会带来性能开销，应尽量避免频繁发生。

不可变结构体（Immutable struct）

为了避免复制带来的副作用，结构体推荐设计为不可变：

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public readonly struct Point
{
    public int X { get; }
    public int Y { get; }
    public Point(int x, int y) => (X, Y) = (x, y);
}

实现接口

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public interface IDrawable
{
    void Draw();
}

public struct Circle : IDrawable
{
    public double Radius { get; }
    public Point Center { get; }
    
    public Circle(double radius, Point center)
    {
        Radius = radius;
        Center = center;
    }
    
    public void Draw()
    {
        Console.WriteLine($"Drawing circle at {Center} with radius {Radius}");
    }
    
    public double Area => Math.PI * Radius * Radius;
}

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struct Rectangle : IEquatable<Rectangle>
{
    public int Width, Height;

    public bool Equals(Rectangle other)
    {
        return Width == other.Width && Height == other.Height;
    }

    public override bool Equals(object obj) => obj is Rectangle other && Equals(other);
    public override int GetHashCode() => HashCode.Combine(Width, Height);
}

var r1 = new Rectangle { Width = 10, Height = 20 };
var r2 = new Rectangle { Width = 10, Height = 20 };
Console.WriteLine(r1.Equals(r2)); // 输出: True

运算符重载示例

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struct Point
{
    public int X, Y;

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

    public static Point operator +(Point a, Point b)
    {
        return new Point(a.X + b.X, a.Y + b.Y);
    }

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

var p1 = new Point(1, 2);
var p2 = new Point(3, 4);
var sum = p1 + p2;
Console.WriteLine(sum); // 输出: (4, 6)

结构体的新特性

readonly struct

表示完全不可变。
编译器强制所有字段为 readonly。
防止无意修改。

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public readonly struct Vector
{
    public readonly double X;
    public readonly double Y;
}

ref struct

只能在栈上分配。
用于高性能场景，如 Span<T>。

record struct

值类型的记录类型，支持内建的值比较、with 表达式。

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public record struct Point(int X, int Y);
var p1 = new Point(1,2);
var p2 = p1 with { X = 3 }; // 基于值的复制

高级用法

与模式匹配结合使用

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public struct RGBColor
{
    public byte R;
    public byte G;
    public byte B;
    
    public RGBColor(byte r, byte g, byte b)
    {
        R = r;
        G = g;
        B = b;
    }
    
    public void Deconstruct(out byte r, out byte g, out byte b)
    {
        r = R;
        g = G;
        b = B;
    }
}

class Program
{
    static string GetColorName(RGBColor color)
    {
        return color switch
        {
            (255, 0, 0) => "Red",
            (0, 255, 0) => "Green",
            (0, 0, 255) => "Blue",
            (255, 255, 255) => "White",
            (0, 0, 0) => "Black",
            _ => "Unknown"
        };
    }
    
    static void Main()
    {
        RGBColor red = new RGBColor(255, 0, 0);
        Console.WriteLine(GetColorName(red)); // 输出: Red
    }
}

适用场景

✅ 适合：

轻量级、小数据对象（坐标、颜色、矩形、数值容器等）。
高性能计算（避免 GC 开销）。
频繁创建销毁的对象。

❌ 不适合：

对象非常大（复制开销高）。
需要继承层次。
需要引用语义（共享同一对象）。

如果类型大小超过 16 字节，且频繁传递，建议使用 class 而不是 struct。

实战示例

高性能点计算

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public readonly struct Point
{
    public readonly double X;
    public readonly double Y;
    public Point(double x, double y) => (X, Y) = (x, y);

    public double Distance(Point other) =>
        Math.Sqrt(Math.Pow(X - other.X, 2) + Math.Pow(Y - other.Y, 2));
}

void Demo()
{
    Point p1 = new(1, 2);
    Point p2 = new(4, 6);
    Console.WriteLine(p1.Distance(p2)); // 5
}

无 GC 压力。
值传递保证线程安全。

总结

特性	说明
类型	值类型（Value Type）
内存分配	栈分配或嵌入堆中
继承	不能继承其他类/结构体，只能实现接口
构造函数	系统提供无参构造；用户可定义有参构造
默认初始化	所有字段自动初始化为默认值
传递方式	按值传递（复制整个对象）
典型场景	小型数据对象（Point、Color）、高性能计算
高级特性	`readonly struct`、`ref struct`、`record struct`
设计建议	尽量保持不可变，避免装箱，避免过大对象