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C# 结构体

news 来源：原创 2025/7/12 20:48:55

前言

在 C# 编程中，结构体（struct）是一种非常重要的数据结构，它为我们提供了一种轻量级的存储和操作数据的方式。本教程将带你深入了解结构体的概念、特点、使用方法，以及一些使用结构体的最佳实践。

一、什么是结构体（struct）？

1. 基本概念

结构体（struct）是一种可封装数据和相关功能的值类型，使用 struct 关键字定义结构体。
它可以包含多个不同类型的成员，如字段、属性、方法、索引器和构造函数等
与类（class）不同，结构体存储在栈（stack）上，而不是堆（heap）上，这使得它们在某些场景下具有更高的性能优势，特别是对于小型数据的存储和操作。
通常，可以使用结构类型来设计以数据为中心的较小类型，这些类型只有很少的行为或没有行为。例如，.NET 使用结构类型来表示数字（整数和实数）、布尔值、Unicode 字符以及时间实例。 如果侧重于类型的行为，请考虑定义一个类。
由于结构类型具有值语义，因此建议定义不可变的结构类型。

2. 定义结构体

结构体的定义使用struct关键字，后面跟着结构体的名称。你可以在结构体中定义各种成员，包括字段、属性、方法和构造函数。如下所示：

public struct Point
{public int X { get; set; }public int Y { get; set; }public Point(int x, int y){X = x;Y = y;}public void Print(){Console.WriteLine($"Point: ({X}, {Y})");}
}public struct Rectangle
{// 字段public int Width;public int Height;// 属性public int Perimeter{get { return 2 * (Width + Height); }}// 构造函数public Rectangle(int width, int height){Width = width;Height = height;}// 方法public int Area(){return Width * Height;}
}

3. 使用结构体

使用结构体与使用类类似，但由于结构体是值类型，它们的行为有所不同：

class Program
{static void Main(){// 实例化结构体Point point = new Point();//一旦创建了结构体实例，就可以像访问类成员一样访问其字段和方法：point.X = 10;point.Y = 20;Console.WriteLine($"Point: ({point.X}, {point.Y})");// 使用结构体的构造函数Rectangle rectangle = new Rectangle(5, 3);//一旦创建了结构体实例，就可以像访问类成员一样访问其字段和方法：Console.WriteLine($"Rectangle Area: {rectangle.Area()}");Console.WriteLine($"Rectangle Perimeter: {rectangle.Perimeter}");}
}

使用default 初始化结构体

Point point3 = default(Point); // C# 7.1 及以上版本

二、结构体详解

1. 构造函数

1）默认构造函数

结构体有一个隐式的默认构造函数，它会将所有字段初始化为它们的默认值。你也可以显式地定义构造函数，但不能同时有默认构造函数和无参数的构造函数：

struct Person
{public string Name;public int Age;public Person(string name, int age){Name = name;Age = age;}
}

在C# 7.3版本中是不可以不能同时有默认构造函数和无参数的构造函数
在这里插入图片描述
在C# 10.0 版本中，可以同时有默认构造函数和无参数的构造函数

2）构造函数参数

结构体的构造函数必须为所有字段赋值，因为结构体的成员不能在声明时初始化：

struct Circle
{public double Radius;public Circle(double radius){Radius = radius;}
}

在C# 7.3版本
在这里插入图片描述
在C# 10.0 版本

2. 属性

你可以在结构体中定义属性，就像在类中一样。属性可以用来封装结构体的字段，提供更好的访问控制：

struct Temperature
{private double _celsius;public double Celsius{get { return _celsius; }set { _celsius = value; }}public double Fahrenheit{get { return _celsius * 9 / 5 + 32; }set { _celsius = (value - 32) * 5 / 9; }}
}

3. 方法

结构体可以包含方法，这些方法可以操作结构体的成员：

struct Vector
{public double X;public double Y;public double Magnitude(){return Math.Sqrt(X * X + Y * Y);}
}

3. 比较操作

结构体支持隐式的相等比较操作符 (== 和 !=)，但为了自定义比较逻辑，您可以重写这些操作符或实现 IEquatable 接口：

public struct Point : IEquatable<Point>
{public int X { get; set; }public int Y { get; set; }public bool Equals(Point other){return X == other.X && Y == other.Y;}public override bool Equals(object obj){if (obj is Point point){return Equals(point);}return false;}public override int GetHashCode(){return HashCode.Combine(X, Y);}public static bool operator ==(Point left, Point right){return left.Equals(right);}public static bool operator !=(Point left, Point right){return !(left == right);}
}

4. 结构体的特点

1）值类型

结构体是值类型，这意味着当你将一个结构体变量赋值给另一个结构体变量时，会进行值的复制，而不是引用的复制。例如：

Point point1 = new Point { X = 1, Y = 2 };
Point point2 = point1; // 复制值，而不是引用
point2.X = 5;
Console.WriteLine($"point1: ({point1.X}, {point1.Y})"); // 输出 (1, 2)
Console.WriteLine($"point2: ({point2.X}, {point2.Y})"); // 输出 (5, 2)

值类型 vs 引用类型

值类型：如 int, float, bool 和 struct，当它们被赋值给另一个变量时会创建副本。
引用类型：如 class, interface, array，当它们被赋值时只是复制了引用，两个变量指向同一个对象。

由于 struct 是值类型，因此每次传递或赋值时都会创建一个新副本，这对于小规模的数据结构来说效率较高且更安全。但是，对于较大的结构体，频繁复制可能会带来性能开销。

2）存储位置

结构体通常存储在栈上，对于小型数据结构，这可以提高性能，因为栈的访问速度比堆更快。但是，当结构体作为引用类型的成员时，它会被存储在堆上。

3）不能被继承

结构体不能被继承，因为它们隐式地密封（sealed）。这意味着你不能创建一个继承自结构体的新类型。也不能作为类的基础类型。
结构体不能继承自其他类型，也不能被其他类型继承。
结构成员不能指定为 abstract、virtual 或 protected。

4）包含成员

它可以包含多个不同类型的成员，如字段、属性、方法、索引器、运算符方法、事件和构造函数等

5）可实现接口

结构体可实现一个或多个接口。

// 定义接口
public interface IDistanceCalculable
{double DistanceTo(Point other);
}// 实现接口的结构体
public struct Point : IDistanceCalculable
{public double X { get; }public double Y { get; }public Point(double x, double y){X = x;Y = y;}// 实现接口中的方法public double DistanceTo(Point other){return Math.Sqrt(Math.Pow(other.X - X, 2) + Math.Pow(other.Y - Y, 2));}public override string ToString(){return $"({X}, {Y})";}
}// 使用示例
class Program
{static void Main(string[] args){var p1 = new Point(0, 0);var p2 = new Point(3, 4);Console.WriteLine($"Distance between {p1} and {p2}: {p1.DistanceTo(p2)}");}
}

6）不能在结构体中声明终结器

结构体不能有析构函数，因为它们存储在栈上，析构函数通常用于释放堆上的资源。
结构可定义构造函数，但不能定义析构函数。但是，您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。

7）必须初始化

在 C# 11 之前，结构体的构造函数必须初始化该类型的所有实例字段。

当你实例化一个结构体时，必须为其成员赋值，要么通过构造函数，要么通过属性或字段的赋值：

// 正确
Point p1 = new Point { X = 1, Y = 2 };
// 正确
Point p2 = new Point(3, 4);
// 错误，未初始化成员
// Point p3;

8）箱装与拆箱

当值类型（如 struct）被分配给引用类型的变量时会发生箱装（boxing），反之则发生拆箱（unboxing）。这个过程涉及到内存分配和数据复制，因此应当尽量避免不必要的转换以提高性能。

object boxedPoint = point1; // 箱装
Point unboxedPoint = (Point)boxedPoint; // 拆箱

三、结构体的使用场景

1. 表示小型数据结构

结构体非常适合表示小型的数据结构，如点、向量、矩形等，因为它们的存储和操作成本相对较低。

2. 提高性能

对于频繁创建和销毁的对象，使用结构体可以避免堆分配的开销，提高性能。

3. 不可变数据

为了确保结构体的安全性和线程安全性，通常建议设计为不可变类型，即一旦创建后就不能修改其状态。这可以通过只读字段或只读属性来实现：

public struct ImmutablePoint
{public readonly int X;public readonly int Y;public ImmutablePoint(int x, int y){X = x;Y = y;}public void Print(){Console.WriteLine($"Immutable Point: ({X}, {Y})");}
}

为什么建议定义不可变的结构类型

避免副作用
由于结构类型传递的是副本，如果结构是可变的，在方法中修改结构的副本可能会给调用者带来混淆。例如，当一个可变结构作为参数传递给方法时，方法内部对该结构的修改不会影响原始结构，但调用者可能会误以为会影响。而不可变结构可以避免这种副作用，因为其状态不能被修改，调用者可以明确知道传递的结构不会被方法改变。
线程安全
在多线程环境中，可变的结构类型可能会引发线程安全问题。多个线程同时访问和修改同一个结构的不同副本时，可能会导致数据不一致。而不可变结构类型天生就是线程安全的，因为它们的状态不能被修改，多个线程可以安全地共享同一个不可变结构的副本，无需进行额外的同步操作。
提高代码的可维护性和可预测性
不可变结构的状态在创建后就固定不变，这使得代码的行为更加可预测。开发者在阅读和理解代码时，不需要担心结构的状态会在某个地方被意外修改，从而降低了代码的复杂性，提高了可维护性。

综上所述，由于结构类型具有值语义，为了避免副作用、保证线程安全以及提高代码的可维护性和可预测性，建议定义不可变的结构类型。

四、结构体与类的区别

特性	结构体	类(class)
类型	值类型	引用类型
默认值	根据字段类型初始化	null
复制行为	赋值时创建副本	赋值时仅复制引用
继承	不能从其他结构体继承，但可以实现接口	支持继承和多接口实现
性能	对于小规模数据结构更高效	对于大规模复杂对象更灵活

五、总结

结构体是 C# 中一种强大的值类型数据结构，适合表示小型数据结构和需要高性能的场景。它们具有值类型的特点，存储在栈上，不能被继承，并且可以包含各种成员，如字段、属性和方法。通过合理使用结构体，可以提高代码的性能和可读性。在选择使用结构体还是类时，要考虑数据的大小、使用场景以及性能需求，以确保做出最佳选择。

结语

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希望以上内容可以帮助到大家，如文中有不对之处，还请批评指正。

参考资料：
结构类型（C# 参考）

C# 结构体

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