C# - 结构体

C# - 结构体（Structs）

在 C# 中，结构体（struct）是一种值类型，用于封装少量相关变量。它们非常适合表示以数据为中心、轻量级的对象，且不需要像继承那样的复杂行为。

可以将结构体视为创建单个变量的蓝图，该变量包含相关的数据点。例如，要表示 RGB 颜色，你可能需要红色（Red）、绿色（Green）和蓝色（Blue）值。结构体可以将这些值组合在一起：

public readonly struct RgbColor
{
    public byte Red { get; }
    public byte Green { get; }
    public byte Blue { get; }

    public RgbColor(byte r, byte g, byte b)
    {
        Red = r;
        Green = g;
        Blue = b;
    }
}

关键区别： 最重要的区别在于结构体是值类型，而类是引用类型。当你将结构体传递给方法时，会传递结构体的副本。当你传递类实例时，会传递对该实例的引用。

定义和初始化结构体

你可以使用 struct 关键字定义结构体。现代 C# 的最佳实践鼓励使用 readonly 关键字以及 init 或仅 get 属性使结构体不可变。这可以防止它们在创建后被更改状态，从而带来更可预测的代码。

使用主构造函数定义现代结构体（C# 12+）

C# 12 引入了主构造函数，以实现更简洁的语法。

// 推荐的现代方法（C# 12+）
public readonly struct Point(double x, double y)
{
    public double X { get; } = x;
    public double Y { get; } = y;

    // 结构体中的方法
    public double DistanceFromOrigin() => Math.Sqrt(X * X + Y * Y);

    // 覆写 ToString 方法以更好地显示
    public override string ToString() => $"({X}, {Y})";
}

初始化结构体

你可以使用 new 关键字初始化结构体，这会调用其构造函数。

// 使用上面 Point 结构体的主构造函数
var p1 = new Point(3.0, 4.0);
var p2 = new Point(-1.0, 5.5);

Console.WriteLine($"Point 1: {p1}");
Console.WriteLine($"Point 1 Distance: {p1.DistanceFromOrigin():F2}"); // F2 格式化为两位小数

// 输出:
// Point 1: (3, 4)
// Point 1 Distance: 5.00

注意： 与类不同，你可以在不使用 new 的情况下实例化结构体，但在使用它之前必须初始化其所有字段/属性。使用 new 通常更安全，因为它确保所有成员都初始化为它们的默认值。

类与结构体：何时使用？

在类和结构体之间做出选择是一个关键的设计决策。当类型满足以下大部分条件时，请使用结构体：

它逻辑上表示一个单一的值，例如数字、日期或点。
它占用内存较小（通常小于 16 字节）。
它是不可变的。一旦创建，其值不应改变。
它不需要频繁地装箱或拆箱（装箱是将值类型转换为引用类型，这可能会影响性能）。

对于其他所有情况，请使用类，特别是对于需要继承、具有唯一标识或其状态会随时间变化的更大、更复杂的对象。

实际应用：一个小型项目

让我们创建一个小程序来管理图书记录。我们将定义一个 Book 结构体并在列表中使用它。

using System;
using System.Collections.Generic;

// 定义一个不可变的 Book 结构体
public readonly struct Book
{
    public string Title { get; init; }
    public string Author { get; init; }
    public int PublicationYear { get; init; }

    // 覆写 ToString 方法以获得整洁、可读的输出
    public override string ToString() =>
        $"'{Title}' by {Author} ({PublicationYear})";
}

// 主应用程序逻辑（使用顶级语句）
var library = new List<Book>
{
    new() { Title = "1984", Author = "George Orwell", PublicationYear = 1949 },
    new() { Title = "Dune", Author = "Frank Herbert", PublicationYear = 1965 },
    new() { Title = "The Hitchhiker's Guide to the Galaxy", Author = "Douglas Adams", PublicationYear = 1979 }
};

Console.WriteLine("Welcome to the Library!");
Console.WriteLine("-----------------------");

foreach (var book in library)
{
    Console.WriteLine(book);
}

// 如何测试这个逻辑？
// 你可以编写一个单元测试来验证创建 Book 并调用 ToString()
// 能产生预期的字符串格式。

当上述代码编译并执行时，会产生以下结果：

Welcome to the Library!
-----------------------
'1984' by George Orwell (1949)
'Dune' by Frank Herbert (1965)
'The Hitchhiker's Guide to the Galaxy' by Douglas Adams (1979)

结构体与接口

结构体与类一样，可以实现接口。这对于在不同类型之间提供通用功能很有用。

using System;

// 可表示为字符串的对象的接口
public interface IFormattable
{
    string ToFormattedString();
}

// 实现接口的结构体
public readonly struct Person(string firstName, string lastName) : IFormattable
{
    public string FirstName { get; } = firstName;
    public string LastName { get; } = lastName;

    // 使用表达式主体实现接口方法
    public string ToFormattedString() => $"Name: {LastName}, {FirstName}";
}

// --- 主程序 ---
var person = new Person("John", "Doe");
Console.WriteLine(person.ToFormattedString());

// 输出:
// Name: Doe, John