.NET (C#) Internals: Struct and Class

直观印象

深入分析 

刨根问底（刨祖坟）

特别之处readonly

浅出

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：

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。

从上面的代码可以知道：以下几点：

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

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

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：

struct是值类型（value type）

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：

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。

值类型实例存储它的字段的值。

值类型实例不受垃圾收集器（gc）的控制。

引用类型：

引用类型实例必须从托管堆（managed heap）中分配。

引用类型实例存储的是对象的引用及一些额外附加成员。

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。 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。 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：

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。

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）

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。

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。

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。

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。

struct不能定义析构函数，class可以。但struct仍然可以继承<code>idisposable</code>接口，所以你还是可以使用dispose模式的（有点曲线救国的味道）。

”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）

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。

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：

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。

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：

该类型的行为类似于基于类型，否则用class

该类型不要继承自任何类型，否则用class

该类型不会被继承，否则用class

该类型的实例不会频繁地用于方法的参数传递，否则用class

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

当struct变得很大时，应该用class