[你必须知道的.NET] 第四回：后来居上：class和struct

本文将介绍以下内容：

• 面向对象基本概念

• 类和结构体简介

• 引用类型和值类型区别

1. 引言

提起class和struct，我们首先的感觉是语法几乎相同，待遇却翻天复地。历史将接力棒由面向过程编程传到面向对象编程，class和struct也背负着各自的命运前行。在我认为，struct英雄迟暮，class天下独行，最本质的区别是class是引用类型，而struct是值类型，它们在内存中的分配情况有所区别。由此产生的一系列差异性，本文将做以全面讨论。

2. 基本概念

2.1. 什么是class?

class（类）是面向对象编程的基本概念，是一种自定义数据结构类型，通常包含字段、属性、方法、属性、构造函数、索引器、操作符等。因为是基本的概念，所以不必在此详细描述，读者可以查询相关概念了解。我们重点强调的是.NET中，所有的类都最终继承自System.Object类，因此是一种引用类型，也就是说，new一个类的实例时，对象保存了该实例实际数据的引用地址，而对象的值保存在托管堆（managed heap）中。

2.2. 什么是struct?

struct（结构）是一种值类型，用于将一组相关的信息变量组织为一个单一的变量实体。所有的结构都继承自System.ValueType类，因此是一种值类型，也就是说，struct实例分配在线程的堆栈（stack）上，它本身存储了值，而不包含指向该值的指针。所以在使用struct时，我们可以将其当作int、char这样的基本类型类对待。

3. 相同点，不同点

相同点：语法类似。

不同点：

class是引用类型，继承自System.Object类；struct是值类型，继承自System.ValueType类，因此不具多态性。但是注意，System.ValueType是个引用类型。
从职能观点来看，class表现为行为；而struct常用于存储数据。
class支持继承，可以继承自类和接口；而struct没有继承性，struct不能从class继承，也不能作为class的基类，但struct支持接口继承（记得吗，《第二回：对抽象编程：接口和抽象类》也做过讨论）
class可以声明无参构造函数，可以声明析构函数；而struct只能声明带参数构造函数，且不能声明析构函数。因此，struct没有自定义的默认无参构造函数，默认无参构造器只是简单地把所有值初始化为它们的0等价值
实例化时，class要使用new关键字；而struct可以不使用new关键字，如果不以new来实例化struct，则其所有的字段将处于未分配状态，直到所有字段完成初始化，否则引用未赋值的字段会导致编译错误。
class可以实抽象类（abstract），可以声明抽象函数；而struct为抽象，也不能声明抽象函数。
class可以声明protected成员、virtual成员、sealed成员和override成员；而struct不可以，但是值得注意的是，struct可以重载System.Object的3个虚方法，Equals()、ToString()和GetHashTable()。
class的对象复制分为浅拷贝和深拷贝（该主题我们在本系列以后的主题中将重点讲述，本文不作详述），必须经过特别的方法来完成复制；而struct创建的对象复制简单，可以直接以等号连接即可。
class实例由垃圾回收机制来保证内存的回收处理；而struct变量使用完后立即自动解除内存分配。
作为参数传递时，class变量是以按址方式传递；而struct变量是以按值方式传递的。

我们可以简单的理解，class是一个可以动的机器，有行为，有多态，有继承；而struct就是个零件箱，组合了不同结构的零件。其实，class和struct最本质的区别就在于class是引用类型，内存分配于托管堆；而struct是值类型，内存分配于线程的堆栈上。由此差异，导致了上述所有的不同点，所以只有深刻的理解内存分配的相关内容，才能更好的驾驭。本系列将再以后的内容中，将引用类型和值类型做以深入的比较和探讨，敬请关注。当然正如本文标题描述的一样，使用class基本可以替代struct的任何场合，class后来居上。虽然在某些方面struct有性能方面的优势，但是在面向对象编程里，基本是class横行的天下。

那么，有人不免会提出，既然class几乎可以完全替代struct来实现所有的功能，那么struct还有存在的必要吗？答案是，至少在以下情况下，鉴于性能上的考虑，我们应该考虑使用struct来代替class：

实现一个主要用于存储数据的结构时，可以考虑struct。
struct变量占有堆栈的空间，因此只适用于数据量相对小的场合。
结构数组具有更高的效率。
提供某些和非托管代码通信的兼容性。

所有这些是struct有一席之地的理由，当然也许还有其他的更多说法，只是我不知道罢了:-)

4. 经典示例

4.1 小菜一碟

下面以示例为说明，来阐述本文的基本规则，详细见注释内容。
（1）定义接口

interface IPerson
    {
        void GetSex();
    }

（2）定义类

public class Person
    {
        public Person()
        {
        }

public Person(string name, int age)
        {
            _name = name;
            _age = age;
        }

private string _name;

public string Name
        {
          get { return _name; }
          set { _name = value; }
        }

private int _age;

public int Age
        {
          get { return _age; }
          set { _age = value; }
        }
    }

（3）定义结构

//可以继承自接口，不可继承类或结构
    struct Family: IPerson
    {
        public string name;
        public int age;
        public bool sex;
        public string country;
        public Person person;

//不可以包含显式的无参构造函数和析构函数
        public Family(string name, int age, bool sex, string country, Person person)
        {
            this.name = name;
            this.age = age;
            this.sex = sex;
            this.country = country;
            this.person = person;
        }

//不可以实现protected、virtual、sealed和override成员
        public void GetSex()
        {
            if (sex)
                Console.WriteLine(person.Name + " is a boy.");
            else
                Console.WriteLine(person.Name + " is a girl.");
        }

public void ShowPerson()
        {
            Console.WriteLine("This is {0} from {1}", new Person(name, 22).Name, country);
        }

//可以重载ToString虚方法
        public override string ToString()
        {
            return String.Format("{0} is {1}, {2} from {3}", person.Name, age, sex ? "Boy" : "Girl", country);
        }
    }

（4）测试结构和类

猜猜运行结果如何，可以顺便检查检查对这个概念的认识。

4.2 .NET研究

在.NET 框架中，System.Drawing命名空间中的有些元素，如System.Drawing.Point就是实现为struct，而不是class。其原因也正在于以上介绍的各方面的权衡，大家可以就此研究研究，可以体会更多。另外，还有以struct实现的System.Guid。

5. 结论

对基本概念的把握，是我们进行技术深入探索的必经之路，本系列的主旨也是能够从基本框架中，提供给大家一个通向高级技术的必修课程。本文关于class和struct的讨论就是如此，在.NET框架中，关于class和struct的讨论将涉及到对引用类型和值类型的认识，并且进一步将触角伸向变量内存分配这一高级主题，所以我们有必要来了解其运行机制，把握区别和应用场合，以便在平常的系统设计中把握好对这一概念层次的把握。

另外，请大家就以下问题进行讨论，希望能够更加清晰本文的拓展：

struct还主要应用在哪些方面？
C++和C#中，关于struct的应用又有所不同，这些不同又有哪些区别？

参考文献

（USA）Stanley B.Lippman, C# Primer

（USA）C# in a Nutshell

温故知新

[开篇有益]

[第一回：恩怨情仇：is和as]

[第二回：对抽象编程：接口和抽象类]

[第三回：历史纠葛：特性和属性]

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