在dotNET中何时使用类和结构体

编程技术
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生成模型：Gemini-2.5-Pro-Exp，生成时间：2025 05-06 19:50

好的，我们来详细解释一下在 .NET (主要是 C#) 中何时应该使用类 (class) 以及何时应该使用结构体 (struct)。理解它们之间的核心区别是做出正确选择的关键。

核心区别

核心区别：值类型 vs 引用类型。

这是最根本的区别，它影响了内存分配、赋值行为、参数传递方式等多个方面。

  1. 结构体 (struct) 是值类型 (Value Type)

    • 内存分配: 通常在 栈 (Stack) 上分配内存。如果结构体是某个类的成员，或者在集合中，它会跟随其容器（可能在堆上）。
    • 赋值行为: 当你将一个结构体变量赋值给另一个结构体变量时，会创建该结构体的 完整副本。两个变量持有各自独立的数据。
    • 参数传递: 默认情况下，当结构体作为参数传递给方法时，传递的是该结构体的 副本。方法内部对参数副本的修改 不会 影响原始结构体变量（除非使用 ref 或 out 关键字）。
    • null 值: 值类型不能为 null（除非使用 Nullable<T> 或 T? 语法）。它们总有一个默认值（例如，数值类型为 0，bool 为 false）。
    • 继承: 结构体只能继承接口 (interface)，不能继承其他类或结构体。所有结构体都隐式继承自 System.ValueType，而 System.ValueType 继承自 System.Object。
    • 垃圾回收 (GC): 通常（当在栈上分配时）不受垃圾回收器的直接管理，生命周期随其作用域结束而结束。如果结构体在堆上（例如作为类成员或装箱后），则会受 GC 管理。

  2. 类 (class) 是引用类型 (Reference Type)

    • 内存分配: 对象实例总是在 堆 (Heap) 上分配内存。变量本身（在栈或堆上）存储的是指向堆上对象实例的 引用（地址）。
    • 赋值行为: 当你将一个类变量赋值给另一个类变量时，只复制 引用（地址）。两个变量将指向 同一个 堆上的对象实例。修改一个变量引用的对象会影响另一个变量。
    • 参数传递: 默认情况下，当类实例作为参数传递给方法时，传递的是 引用的副本。方法内部可以通过这个引用副本访问并 修改原始对象。但是，如果在方法内部将参数重新赋值给一个 新 对象，这不会影响方法外部的原始变量。
    • null 值: 引用类型变量可以被赋值为 null，表示它不指向任何对象实例。
    • 继承: 类支持单继承（可以继承自一个基类）和多接口继承。所有类都隐式或显式地继承自 System.Object。
    • 垃圾回收 (GC): 堆上的对象实例的生命周期由垃圾回收器管理。当没有任何引用指向一个对象时，GC 可以在未来的某个时刻回收其内存。

何时选用结构体

结构体通常用于表示那些 本质上像“值” 的数据结构。考虑在以下情况使用结构体：

  1. 表示轻量级数据聚合: 当你需要一个类型来简单地组合少量相关数据时（例如坐标点 Point(x, y)、颜色 Color(r, g, b, a)、日期时间 DateTime）。
  2. 逻辑上代表单个值: 类型的主要职责是存储数据，并且其行为类似于基本类型（如 int, double）。实例的“身份”不重要，重要的是它包含的“值”。
  3. 实例较小: 结构体的大小通常建议不要太大。虽然没有硬性规定，但一个常见的（有些过时但仍有参考价值）的经验法则是 16 字节 左右或更小。过大的结构体在赋值和参数传递时复制开销会很大。你可以使用 sizeof() （在 unsafe 上下文）或分析工具来估算大小。
  4. 不可变性 (Immutability) 是理想的: 结构体 强烈建议 设计为不可变的（即创建后其状态不能更改）。因为值类型的复制行为，修改一个副本不会影响原始值，这符合值的语义。可变结构体（Mutable Structs）容易导致混淆和错误，尤其是在集合中或作为只读成员时。
    • readonly struct: C# 7.2 引入了 readonly struct，强制结构体的所有实例字段都必须是 readonly，确保了实例级别的不可变性，这是一个很好的实践。
    • record struct: C# 10 引入了 record struct，它默认是不可变的，并提供了值相等性比较、ToString() 实现等便利功能，非常适合用作简单的数据载体。
  5. 不需要继承实现: 如果你的类型不需要从某个基类继承行为或状态。
  6. 性能考虑 (特定场景):
    • 减少 GC 压力: 当你需要创建大量 短期存在 的对象时，将它们定义为结构体并在栈上分配可以显著减少堆分配和垃圾回收的压力。
    • 注意复制开销: 反过来，如果结构体很大，或者需要频繁地作为参数传递（非 ref / out），复制开销可能会抵消栈分配的好处。

何时选用类

类是 .NET 中构建复杂行为和表示具有“身份”的对象的主要方式。在以下情况使用类：

  1. 默认选择: 对于大多数自定义类型，特别是那些包含复杂逻辑、行为或状态的类型，类通常是更合适的默认选择。
  2. 需要引用语义: 当你需要多个变量指向 同一个 对象实例，并且希望对一个变量的修改能通过其他变量观察到时。这是共享状态的常用方式。
  3. 实例较大: 当对象包含大量数据时，使用类可以避免值类型复制带来的性能开销。传递引用比复制整个大型数据结构要快得多。
  4. 需要继承实现: 当你需要利用面向对象的继承特性，从基类继承或覆盖行为时。
  5. 需要“身份”: 当对象的身份很重要时（例如，比较两个变量是否引用内存中的 完全相同 的对象，使用 Object.ReferenceEquals()）。
  6. 可变性是允许或需要的: 虽然不可变类也是一种常见且推荐的设计模式，但类天然支持可变状态（其成员可以被修改）。
  7. 需要终结器 (Finalizer): 只有类可以有终结器（析构函数语法 ~ClassName()），用于在对象被 GC 回收前执行非托管资源的清理（尽管现代 .NET 更推荐使用 IDisposable 和 using 语句）。

总结与关键考量点

特性 类 (class) 结构体 (struct) 关键考量
类型 引用类型 (Reference Type) 值类型 (Value Type) 根本区别，影响内存、赋值、传递
内存 堆 (Heap) 通常栈 (Stack)，或随容器 GC 压力 vs 复制开销
赋值 复制引用 创建完整副本 共享实例 vs 独立实例
参数传递 传递引用副本 (可修改原对象) 传递值副本 (默认不影响原对象) 方法内修改的影响
null 可以为 null 不能为 null (除非 Nullable<T>) 需要表示“无值”状态？
继承 支持类继承、接口继承 仅支持接口继承 (System.ValueType → Object) 需要重用基类实现？
大小 适合大对象 适合小对象 (e.g., < 16 bytes) 复制开销
不可变性 可选，但推荐 强烈推荐 (使用 readonly / record struct) 避免可变结构体的陷阱
身份 具有明确身份 (同一内存地址) 通常不关注身份，只关注值 需要区分是同一对象还是值相等？
性能 Heap 分配开销, GC 压力 Stack 分配快, 少 GC 压力；复制开销 取决于对象大小、生命周期、使用模式
装箱/拆箱 不涉及 当作 object 或接口使用时可能发生，有性能损耗 避免不必要的装箱
默认选择 是，用于多数复杂类型 否，用于特定“值”语义和性能优化场景 不确定时，倾向于使用类，除非有明确理由用结构体

简单决策流程

  1. 这个类型逻辑上是否代表一个 单一的值（像 int, Point）？或者它更像一个具有 身份和复杂行为 的实体（像 Customer, FileStream）？
    • 像值 → 考虑 struct
    • 像实体 → 使用 class
  2. 类型实例的大小是多少？
    • 很小 (< 16-20 bytes) → struct 可能是个好选择
    • 较大 → 倾向于 class
  3. 是否需要 共享同一个实例？或者总是希望得到一个 独立的副本？
    • 共享 → class
    • 副本 → struct
  4. 是否需要 继承 基类的实现？
    • 是 → class
    • 否 → struct 或 class 都可以
  5. 是否 强烈需要不可变性？
    • 是 → readonly struct / record struct 或 不可变 class / record class 都是选项，但结构体天然更符合值的不可变语义。
  6. 性能是否是关键因素，并且分析表明 GC 压力是瓶颈，且对象生命周期短？
    • 是 → 仔细评估 struct 是否能带来好处（权衡栈分配与复制开销）。

记住，类是构建应用程序逻辑块的标准和更灵活的方式。结构体是一种更专门的工具，主要用于表示值和在特定场景下进行性能优化。如果犹豫不决，通常选择类更安全，只有当你明确理解结构体的语义和性能影响，并且它确实符合你的设计目标时，才选择使用结构体。