C#中何时使用结构体而非类

技术背景

在C#开发中，结构体（struct）和类（class）是两种不同的数据结构。类是引用类型，实例化的对象存储在堆上，通过引用进行操作；结构体是值类型，实例存储在栈上，直接存储数据。了解何时使用结构体而非类，对于提高程序性能、优化内存使用和避免意外行为非常重要。

实现步骤

考虑使用结构体的情况

1. 对象属性无需更改：如果对象的属性或字段在初始化后不需要改变，仅用于读取，可以使用结构体。例如，存储坐标的对象，坐标值一旦确定就不再改变。
2. 属性和字段为值类型且较小：当对象的属性和字段都是值类型，并且整体数据量较小，使用结构体可以提高性能和优化内存分配。因为结构体使用栈内存，避免了堆内存分配和垃圾回收的开销。
3. 对象实例小且短生命周期：如果类型的实例通常较小且生命周期较短，或者经常嵌入到其他对象中，考虑使用结构体。例如，Point、Rectangle 和 Color 等结构体。
4. 需要值语义：当需要复制语义，即每次赋值或传递参数时复制整个对象，而不是引用时，使用结构体。例如，DateTime 类型就是一个值类型，适合作为值类型处理。
5. 避免频繁装箱：如果结构体不会频繁地进行装箱操作（将值类型转换为引用类型），可以使用结构体。装箱会带来性能开销。

考虑使用类的情况

1. 对象需要继承：类支持继承，而结构体不支持用户指定的继承。如果需要实现继承关系，使用类。
2. 存在引用类型字段：如果对象的任何一个成员字段是引用类型，创建类。因为引用类型字段需要堆内存分配，使用类更合适。
3. 默认值无意义：如果结构体的默认值不能代表所建模概念的合理默认值，使用类。例如，Address 或 PersonName 类，默认值可能没有实际意义。
4. 需要复杂行为：如果对象需要实现复杂的行为和操作，类更适合。类可以有更多的方法、构造函数和析构函数等。

核心代码

结构体示例

public struct MyPoint 
{
    public int X; // Value Type
    public int Y; // Value Type
}

类示例

public class MyPointWithName 
{
    public int X; // Value Type
    public int Y; // Value Type
    public string Name; // Reference Type
}

结构体和类的赋值区别

// 结构体赋值
public struct IntStruct {
    public int Value { get; set; }
}

var struct1 = new IntStruct() { Value = 0 };
var struct2 = struct1;
struct2.Value = 1;
Console.WriteLine(struct1.Value); // 输出 0

// 类赋值
public class IntClass {
    public int Value { get; set; }
}

var class1 = new IntClass() { Value = 0 };
var class2 = class1;
class2.Value = 1;
Console.WriteLine(class1.Value); // 输出 1

最佳实践

1. 性能测试：在决定使用结构体还是类时，进行性能测试。使用 BenchmarkDotNet 等工具来测量不同实现的性能，根据测试结果做出决策。
2. 保持结构体小：结构体应该保持小而简单，避免包含大量数据或复杂的逻辑。如果结构体变得太大，可能会导致性能下降。
3. 使用不可变结构体：如果可能，将结构体设计为不可变的，即一旦创建就不能修改其值。这样可以避免意外的修改，提高代码的安全性和可维护性。
4. 避免频繁复制：虽然结构体的复制是值复制，但如果结构体较大，频繁复制会带来性能开销。尽量避免不必要的复制操作。

常见问题

结构体和类的性能差异

结构体在某些情况下比类更高效，例如在栈上分配内存、避免垃圾回收等。但在参数传递、赋值和返回值等操作中，类可能更高效，因为只需要复制引用，而不是整个数据。

结构体的装箱和拆箱

当结构体被转换为引用类型时，会发生装箱操作；将引用类型转换回结构体时，会发生拆箱操作。装箱和拆箱会带来性能开销，应尽量避免。

结构体的默认构造函数

C# 编译器不允许结构体有默认构造函数。如果结构体定义了默认构造函数，当创建结构体数组时，公共语言运行时会自动对每个数组元素执行默认构造函数。

结构体的继承问题

结构体不支持用户指定的继承，所有结构体类型都隐式继承自 object 类型。如果需要继承关系，应该使用类。