C#入门（6）： 结构体、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：

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：

// 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。

 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：

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

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：

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 Object、ValueType 或 System.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：

public ref struct RefStructExample
{public int X;public int Y;
}public class Program
{public static void Main(){// 使用 ref structRefStructExample example = new RefStructExample { X = 10, Y = 20 };Console.WriteLine(example.X);  // 输出 10Console.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：

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 SpanSpan<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：

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。