.NET (C#) Internals: Struct and Class

引言

Struct与Class的异同？本是一个老生常谈话题，前几天看帖就看到了Struct 与Class辨析，其中也提到了《[你必须知道的.NET] 第四回：后来居上：class和struct》（虽然在园子里看了这个系列，但仍然买了本书看），回帖也特别热闹。我也躺下这个浑水！希望能给您带来不一样的视觉，欢迎评论。本文主题如下：

1. 直观印象
2. 深入分析 
3. 刨根问底（刨祖坟）
4. 特别之处ReadOnly
5. 浅出

一、直观印象

Struct与Class的异同，到底什么是什么呢？首先来两段代码，给个直观印象。

以下是Struct代码：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;

namespace StructVSClass
{
    public struct Person
    {
        //fields
        public string _Name;
        public int _Age;

        //constructors
        public Person(string name, int age)
        {
            _Name = name;
            _Age = age;
        }
        //public Person()//struct can't declare default constructor ,which has no parameters
        //{ }

        //properties
        public string Name
        {
            get { return _Name; }
            set { _Name = value; }
        }
        public int Age
        {
            get { return _Age; }
            set { _Age = value; }
        }

        //methods
        public void Print()
        {
            System.Console.WriteLine("Person Name: " + _Name + "\tPerson Age: " + _Age);
        }

        //indexers,operators and even other structure types
    }

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Person p0 = new Person();//using the default constructor.
            p0.Print();

            Person p1 = new Person("skynet", 23);//using our custom constructor.
            p1.Print();

            Person p2;//Declare a struct object without "new."
            p2._Name = "wuqin";
            p2._Age = 23;
            p2.Print();

            /*
            Person p3;
            p3.Name = "abc";//Compile error,because if you use properties or methods ,you have to declare a struct with new.
            p3.Age=23;
            p3.Print();
             */
        }
    }
}

以下是class代码：

Classusing System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;

namespace StructVSClass
{
    public class Person
    {
        //fields
        public string _Name;
        public int _Age;

        //constructors
        public Person()
        {

        }
        public Person(string name, int age)
        {
            _Name = name;
            _Age = age;
        }

        //properties
        public string Name
        {
            get { return _Name; }
            set { _Name = value; }
        }
        public int Age
        {
            get { return _Age; }
            set { _Age = value; }
        }

        //methods
        public void Print()
        {
            System.Console.WriteLine("Person Name: " + _Name + "\tPerson Age: " + _Age);
        }

        //indexers,operators and even other structure types
    }

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Person p0 = new Person();//using the default constructor.
            p0.Print();

            Person p1 = new Person("skynet", 23);//using our custom constructor.
            p1.Print();

            //Person p2;//compile error.Declare a class object must use new operator.
            //p2._Name = "wuqin";
            //p2._Age = 23;
            //p2.Print();
        }
    }
}

有没有感觉Struct跟Class很像呢。他们基本上包含同样的成员，下面列出了可在类或结构中声明的所有不同种类的成员：字段、常量、属性、方法、构造函数、析构函数、事件、索引器、运算符、嵌套类型。

二、深入分析

从上面的代码可以知道：以下几点：

1. Struct可以有构造器，但必须带参数；Class可以声明不带参数的构造器
2. 声明对象时，虽然我们没有声明不带参数的构造器，但Struct可用调用不带参数的默认构造器
3. Struct可以不用new操作符声明对象，但是当需要用到属性、方法等时必须要用new操作符；class一定要用new操作符声明对象

我们现在能看到的就这么多。他们之间就这么点区别吗？什么造成了这些区别呢？

首先我们考虑以下事实：

1. Struct是值类型（Value Type）
2. Class是引用类型（Reference Type）

那他们的异同是否可以归结为值类型与应用类型的差异呢？且听一一道来。

值类型：

1. 1、值类型实例通常分配在线程的堆栈（Thread Stack）上。为什么是通常呢？因为当值类型嵌套到引用类型对象时会分配在托管堆中。
2. 2、值类型实例存储它的字段的值。
3. 3、值类型实例不受垃圾收集器（GC）的控制。

引用类型：

1. 1、引用类型实例必须从托管堆（Managed Heap）中分配。
2. 2、引用类型实例存储的是对象的引用及一些额外附加成员。
3. 3、引用类型实例受垃圾收集器的控制。

关于堆栈与托管堆的简单说明：

Windows使用一个系统——虚拟寻址系统，该系统把程序可用的内存地址映射到硬件内存的实际地址上，这些任务完全由Windows在后台完成。这样在32位的处理器上每个程序可以拥有4GB（=2^32bit）内存（64位的处理器上每个程序可以拥有8GB（=2^64bit）内存），而无论计算机上有多少硬盘空间，这个4GB称为虚拟地址空间或虚拟内存。

这个4GB内存实际上包含了程序的所有部分，包含可执行代码、代码加载的所有DLL、以及程序运行时使用的所有变量的内容。4GB的每个存储单元都是从0开始往上排序的，要访问存储在其中的某个空间的一个值，就需要提供表示该存储单元的数字。

在进程的这个4GB空间可分为多个区域，其中有两个区域：线程堆栈（thread stack）和托管堆（managed heap）。线程的堆栈比托管堆要小很多。

1. 线程堆栈：是一个先进后出的结构，存储对象成员的数据。在调用方法使，也使用堆栈存储传递给方法的所有参数的副本。我们不知道堆栈在地址空间的什么地方，这些信息在进行C#开发的时候也不需要知道。堆栈是自上向下填充的，即从高内存地址向低内存地址填充。
2. 托管堆：另一个存储内存区域，跟堆栈不同它在GC的控制下工作。托管堆是自下向上填充的，这与堆栈是不一样的。

了解更多，请查阅相关资料。

我认为正是由于值类型与引用类型的上述特性，造成了Struct与Class的一系列差异：

1. 1、值类型分配在堆栈中，不受垃圾收集器的控制，这也意味着给垃圾收集器减压，减少它的回收周期，一旦值类型超出使用范围就会被回收（这也是值类型的优势之所在吧）。堆栈的空间也比较小，所以Struct一般用于存储小型数据结构。
2. 2、当传递大对象或频繁地用于方法的参数传递时，用class比较好，因为无需拷贝大量数据，只是拷贝引用；而Struct则要拷贝字段，从而损伤性能。（注意：可以用ref和out使Struct用于传递引用）
3. 3、由于Struct是值类型，如果频繁地应用于诸如ArrayList、Hashtable之类的集合，这会导致频繁地装箱与拆箱，从而损失性能，故此时用class较好。
4. 4、值类型是是不可以被继承的，引用类型却可以。所有当你想用继承或多态特性的话就得用class。Struct中不能有抽象成员，因为他不能被继承。
5. 5、Struct是值类型，故不可以声明无参的构造器，因为为值类型编译器默认既不生产一个默认的构造器，也不会调用默认的构造器。所以，即使你定义了一个默认额构造器，他也不会被调用，为了避免这些问题，C#编译器不允许由用户定义一个默认的构造器。
6. 6、Struct不能继承类，但可以继承接口，因为当继承接口时必须实现该接口定义的所有方法，而如果继承抽象类的话没有要求必须实现所有的抽象方法，但Struct本身又不能被继承，所以C#编译器就不允许Struct继承类却可以继承接口。
7. 7、Struct不能定义析构函数，class可以。但Struct仍然可以继承IDisposable接口，所以你还是可以使用dispose模式的（有点曲线救国的味道）。
8. 8、”this”指针指向值类型的实例的一个字段的地址，用一个实例方法可以通过“this”+偏移（offset）访问指定字段；“this”指针指向引用类型实例，由于方法表的指针存在，所以要通过“this”+4个字节+偏移（offset）访问指定字段。（注意：这个偏移（offset）根据CLR加载的类型来决定）

三、刨根问底（刨祖坟）

值类型继承自System.ValueType，而他又继承自System.Object。任何继承自System.ValueType的类型CLR都认为是值类型。引用类型直接或间接继承自System.Object，但继承链中不能包含System.ValueType。

所以虽说值类型不能继承类，但System.Object是一个特例。Struct可以调用System.Object中的所有方法，甚至是重写。特别需要注意的是System.ValueType只重写了System.Object的Equals方法和GetHashCode方法，没有添加任何新的东西。因此，Struct调用Equals方法时比较的是struct中字段是否相等，而Class执行的是比较两个引用指向的是否是同一个对象（除非类或其祖先类重写了Equals方法）。

Class不能继承Struct可以说是，因为他们的在内存中的存储结构不一样。但为什么Struct不能继承Struct呢？我想着大概是因为：Struct在内存中只存储它的字段数据值，没有方法表指针，因此实现不了多态（polymorphism），不能正确决定方法的调用。正是由于这点，如果没有运行时多态，继承是一个不完整的面向对象，所以所有的从System.ValueType继承的值类型都被标记为sealed。

四、特别之处ReadOnly

对于一个引用类型，ReadOnly阻止你重新分配一个引用指向其他对象。但是它不阻止你修改引用对象的值。对于值类型，ReadOnly就像C++中的const一样，它阻止你修改对象的值。这意味着你不能再重新分配，因为这将导致所有的字段重新初始化。下面的代码证明了这个：

class MyReferenceType
    {
        int state;

        public int State
        {
            get
            {
                return state;
            }
            set
            {
                state = value;
            }
        }
    }

    struct MyValueType
    {
        int state;

        public int State
        {
            get
            {
                return state;
            }
            set
            {
                state = value;
            }
        }
    }

    class Program
    {
        readonly MyReferenceType myReferenceType = new MyReferenceType();
        readonly MyValueType myValueType = new MyValueType();

        public void SomeMethod()
        {
            myReferenceType = new MyReferenceType(); // Compiler Error

            myReferenceType.State = 1234; // Ok


            myValueType = new MyValueType(); // Compiler Error

            myValueType.State = 1234; // Compiler Error

        }
    }

注意：在foreach语句声明的变量和using语言隐式的表示ReadOnly，因此如果您使用的是结构体，您将无法改变其状态。

五、浅出

上面讲了那么多了，现在我们总结一下。class和struct是 .NET Framework 中的通用类型系统的两种基本构造。两者在本质上都属于数据结构，封装着一组整体作为一个逻辑单位的数据和行为。数据和行为是该类或结构的“成员”，它们包含各自的方法、属性和事件等。

class或struct的声明类似于蓝图，用于在运行时创建实例或对象。如果定义一个名为 Person 的class或struct，则 Person 为类型名称。如果声明并初始化 Person 类型的变量 p，则 p 称为 Person 的对象或实例。可以创建同一 Person 类型的多个实例，每个实例在其属性和字段中具有不同的值。

class是一种引用类型。创建class的对象时，对象赋值到的变量只保存对该内存的引用。将对象引用赋给新变量时，新变量引用的是原始对象。通过一个变量做出的更改将反映在另一个变量中，因为两者引用同一数据。

struct是一种值类型。创建struct时，struct赋值到的变量保存该结构的实际数据。将结构赋给新变量时，将复制该结构。因此，新变量和原始变量包含同一数据的两个不同的副本。对一个副本的更改不影响另一个副本。

类通常用于对较为复杂的行为建模，或对要在创建类对象后进行修改的数据建模。结构最适合一些小型数据结构，这些数据结构包含的数据以创建结构后不修改的数据为主。

何时该用struct、何时该用class：

1. 该类型的行为类似于基于类型，否则用class
2. 该类型不要继承自任何类型，否则用class
3. 该类型不会被继承，否则用class
4. 该类型的实例不会频繁地用于方法的参数传递，否则用class
5. 该类型的实例不会被频繁地用于诸如ArrayList、Hashtable之类的集合中，否则用class
6. 当struct变得很大时，应该用class