1 结构体

1.1 简介

在 C# 中，结构体（struct）是一种值类型（value type），用于组织和存储相关数据。
在 C# 中，结构体是值类型数据结构，这样使得一个单一变量可以存储各种数据类型的相关数据。使用 struct 关键字用于创建结构体。

1.2 结构体特点

结构提供了一种轻量级的数据类型，适用于表示简单的数据结构，具有较好的性能特性和值语义：

• 结构可带有方法、字段、索引、属性、运算符方法和事件，适用于表示轻量级数据的情况，如坐标、范围、日期、时间等。
• 结构可定义构造函数，但不能定义析构函数。但是，不能为结构定义无参构造函数。无参构造函数(默认)是自动定义的，且不能被改变。
• 与类不同，结构不能继承其他的结构或类。
• 结构不能作为其他结构或类的基础结构。
• 结构可实现一个或多个接口。
• 结构成员不能指定为 abstract、virtual 或 protected。
• 当使用 New 操作符创建一个结构对象时，会调用适当的构造函数来创建结构。与类不同，结构可以不使用 New 操作符即可被实例化。
• 如果不使用 New 操作符，只有在所有的字段都被初始化之后，字段才被赋值，对象才被使用。
• 结构变量通常分配在栈上，这使得它们的创建和销毁速度更快。但是，如果将结构用作类的字段，且这个类是引用类型，那么结构将存储在堆上。
• 结构默认情况下是可变的，这意味着可以修改它们的字段。但是，如果结构定义为只读，那么它的字段将是不可变的。

1.3 类 vs 结构

类和结构在设计和使用时有不同的考虑因素，类适合表示复杂的对象和行为，支持继承和多态性，而结构则更适合表示轻量级数据和值类型，以提高性能并避免引用的管理开销。
类和结构有以下几个基本的不同点：

• 值类型 vs 引用类型：
  • 结构是值类型（Value Type）： 结构是值类型，它们在栈上分配内存，而不是在堆上。当将结构实例传递给方法或赋值给另一个变量时，将复制整个结构的内容。
  • 类是引用类型（Reference Type）： 类是引用类型，它们在堆上分配内存。当将类实例传递给方法或赋值给另一个变量时，实际上是传递引用（内存地址）而不是整个对象的副本。
• 继承和多态性：
  • 结构不能继承： 结构不能继承其他结构或类，也不能作为其他结构或类的基类。
  • 类支持继承： 类支持继承和多态性，可以通过派生新类来扩展现有类的功能。
• 默认构造函数：
  • 结构不能有无参数的构造函数： 结构不能包含无参数的构造函数。如果结构有构造那么就必须有至少一个有参数的构造函数。
  • 类可以有无参数的构造函数： 类可以包含无参数的构造函数，如果没有提供构造函数，系统会提供默认的无参数构造函数。
• 赋值行为：
  • 类型为类的变量在赋值时存储的是引用，因此两个变量指向同一个对象。
  • 结构变量在赋值时会复制整个结构，因此每个变量都有自己的独立副本。
• 传递方式：
  • 类型为类的对象在方法调用时通过引用传递，这意味着在方法中对对象所做的更改会影响到原始对象。
  • 结构对象通常通过值传递，这意味着传递的是结构的副本，而不是原始结构对象本身。因此，在方法中对结构所做的更改不会影响到原始对象。
• 可空性：
  • 结构体是值类型，不能直接设置为 null：因为 null 是引用类型的默认值，而不是值类型的默认值。如果需要表示结构体变量的缺失或无效状态，可以使用 Nullable<T> 或称为 T? 的可空类型。
  • 类默认可为null： 类的实例默认可以为 null，因为它们是引用类型。
• 性能和内存分配：
  • 结构通常更轻量： 由于结构是值类型且在栈上分配内存，它们通常比类更轻量，适用于简单的数据表示。
  • 类可能有更多开销： 由于类是引用类型，可能涉及更多的内存开销和管理。

1.4 定义结构体

为了定义一个结构体，必须使用 struct 语句。
struct 语句为程序定义了一个带有多个成员的新的数据类型。

例如，可以按照如下的方式声明 Book 结构：

struct Books
{
   public string title;
   public string author;
   public string subject;
   public int book_id;
};  

1.5 结构体指针

在 C# 中，我们通常通过 点操作符（.） 来访问结构体的成员。如果通过指针访问结构体的成员，则需要使用 unsafe 代码块和指针操作符。

在 C# 中，指针 只在 unsafe 上下文中有效。使用结构体指针时，可以通过 -> 来访问结构体的成员，类似于 C 或 C++ 的用法。

using System;

class Program
{
    // 定义一个简单的结构体
    struct Point
    {
        public int X;
        public int Y;

        // 结构体的构造函数
        public Point(int x, int y)
        {
            X = x;
            Y = y;
        }
    }

    static void Main()
    {
        // 定义一个结构体实例
        Point p = new Point(10, 20);
        // 使用 unsafe 代码块和指针来访问结构体成员
        unsafe
        {
            // 获取结构体的指针
            Point* pPointer = &p;

            // 使用 -> 访问结构体成员
            Console.WriteLine($"X: {pPointer->X}, Y: {pPointer->Y}");  
            // 输出: X: 10, Y: 20
        }
    }
}

解释：

• unsafe 代码块：C# 中，指针操作需要在 unsafe 上下文中使用，因为指针操作绕过了 C# 的类型安全机制。
• 结构体指针：通过 Point* pPointer = &p;，可以获取 p 的指针。这里 &p 是取 p 变量的地址，返回一个指向 Point 类型的指针。
• -> 操作符：通过 pPointer->X 和 pPointer->Y，可以访问结构体 Point 的成员。这类似于 C/C++ 中的指针访问方式。

注意事项：

• unsafe 代码：在 C# 中，默认情况下不允许直接操作指针，因此需要使用 unsafe 关键字标识代码块。
• 与 C/C++ 的差异：在 C# 中，-> 操作符仅在使用指针时有效，这与 C/C++ 中的使用方式一致。但普通的结构体访问仍然是通过 . 操作符完成的。
• 结构体是值类型：需要注意，结构体是值类型，直接声明变量时是通过值传递的，不是引用传递。这意味着对结构体的赋值是复制，而不是引用。只有通过指针操作时，才能像引用类型一样通过指针访问其成员

1.6 实例

1.6.1 示例一

using System;
using System.Text;
     
struct Books
{
   public string title;
   public string author;
   public string subject;
   public int book_id;
};  

public class testStructure
{
   public static void Main(string[] args)
   {

      Books Book1;        /* 声明 Book1，类型为 Books */
      Books Book2;        /* 声明 Book2，类型为 Books */

      /* book 1 详述 */
      Book1.title = "C Programming";
      Book1.author = "Nuha Ali";
      Book1.subject = "C Programming Tutorial";
      Book1.book_id = 6495407;

      /* book 2 详述 */
      Book2.title = "Telecom Billing";
      Book2.author = "Zara Ali";
      Book2.subject =  "Telecom Billing Tutorial";
      Book2.book_id = 6495700;

      /* 打印 Book1 信息 */
      Console.WriteLine( "Book 1 title : {0}", Book1.title);
      Console.WriteLine("Book 1 author : {0}", Book1.author);
      Console.WriteLine("Book 1 subject : {0}", Book1.subject);
      Console.WriteLine("Book 1 book_id :{0}", Book1.book_id);

      /* 打印 Book2 信息 */
      Console.WriteLine("Book 2 title : {0}", Book2.title);
      Console.WriteLine("Book 2 author : {0}", Book2.author);
      Console.WriteLine("Book 2 subject : {0}", Book2.subject);
      Console.WriteLine("Book 2 book_id : {0}", Book2.book_id);      

      Console.ReadKey();

   }
}
当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

Book 1 title : C Programming
Book 1 author : Nuha Ali
Book 1 subject : C Programming Tutorial
Book 1 book_id : 6495407
Book 2 title : Telecom Billing
Book 2 author : Zara Ali
Book 2 subject : Telecom Billing Tutorial
Book 2 book_id : 6495700

1.6.2 示例二

using System;

// 结构声明
struct MyStruct
{
    public int X;
    public int Y;

    // 结构不能有无参数的构造函数
    // public MyStruct()
    // {
    // }

    // 有参数的构造函数
    public MyStruct(int x, int y)
    {
        X = x;
        Y = y;
    }

    // 结构不能继承
    // struct MyDerivedStruct : MyBaseStruct
    // {
    // }
}

// 类声明
class MyClass
{
    public int X;
    public int Y;

    // 类可以有无参数的构造函数
    public MyClass()
    {
    }

    // 有参数的构造函数
    public MyClass(int x, int y)
    {
        X = x;
        Y = y;
    }

    // 类支持继承
    // class MyDerivedClass : MyBaseClass
    // {
    // }
}

class Program
{
    static void Main()
    {
        // 结构是值类型，分配在栈上
        MyStruct structInstance1 = new MyStruct(1, 2);
        MyStruct structInstance2 = structInstance1; // 复制整个结构

        // 类是引用类型，分配在堆上
        MyClass classInstance1 = new MyClass(3, 4);
        MyClass classInstance2 = classInstance1; // 复制引用，指向同一个对象

        // 修改结构实例不影响其他实例
        structInstance1.X = 5;
        Console.WriteLine($"Struct: {structInstance1.X}, {structInstance2.X}");

        // 修改类实例会影响其他实例
        classInstance1.X = 6;
        Console.WriteLine($"Class: {classInstance1.X}, {classInstance2.X}");
    }
}

1.6.3 示例三

using System;
using System.Text;
     
struct Books
{
   private string title;
   private string author;
   private string subject;
   private int book_id;
   public void setValues(string t, string a, string s, int id)
   {
      title = t;
      author = a;
      subject = s;
      book_id =id;
   }
   public void display()
   {
      Console.WriteLine("Title : {0}", title);
      Console.WriteLine("Author : {0}", author);
      Console.WriteLine("Subject : {0}", subject);
      Console.WriteLine("Book_id :{0}", book_id);
   }

};  

public class testStructure
{
   public static void Main(string[] args)
   {

      Books Book1 = new Books(); /* 声明 Book1，类型为 Books */
      Books Book2 = new Books(); /* 声明 Book2，类型为 Books */

      /* book 1 详述 */
      Book1.setValues("C Programming",
      "Nuha Ali", "C Programming Tutorial",6495407);

      /* book 2 详述 */
      Book2.setValues("Telecom Billing",
      "Zara Ali", "Telecom Billing Tutorial", 6495700);

      /* 打印 Book1 信息 */
      Book1.display();

      /* 打印 Book2 信息 */
      Book2.display();

      Console.ReadKey();

   }
}