C#基礎之結構體講解

上善若泪發表於2024-12-01
C#結構體

目錄
  • 1 結構體
    • 1.1 簡介
    • 1.2 結構體特點
    • 1.3 類 vs 結構
    • 1.4 定義結構體
    • 1.5 結構體指標
    • 1.6 例項
      • 1.6.1 示例一
      • 1.6.2 示例二
      • 1.6.3 示例三

1 結構體

1.1 簡介

在 C# 中，結構體（struct）是一種值型別（value type），用於組織和儲存相關資料。
在 C# 中，結構體是值型別資料結構，這樣使得一個單一變數可以儲存各種資料型別的相關資料。使用 struct 關鍵字用於建立結構體。

1.2 結構體特點

結構提供了一種輕量級的資料型別，適用於表示簡單的資料結構，具有較好的效能特性和值語義：

  • 結構可帶有方法、欄位、索引、屬性、運算子方法和事件，適用於表示輕量級資料的情況，如座標、範圍、日期、時間等。
  • 結構可定義建構函式，但不能定義解構函式。但是，不能為結構定義無參建構函式。無參建構函式(預設)是自動定義的，且不能被改變。
  • 與類不同，結構不能繼承其他的結構或類。
  • 結構不能作為其他結構或類的基礎結構。
  • 結構可實現一個或多個介面。
  • 結構成員不能指定為 abstract、virtual 或 protected。
  • 當使用 New 運算子建立一個結構物件時，會呼叫適當的建構函式來建立結構。與類不同，結構可以不使用 New 運算子即可被例項化。
  • 如果不使用 New 運算子，只有在所有的欄位都被初始化之後，欄位才被賦值，物件才被使用。
  • 結構變數通常分配在棧上，這使得它們的建立和銷燬速度更快。但是，如果將結構用作類的欄位，且這個類是引用型別，那麼結構將儲存在堆上。
  • 結構預設情況下是可變的，這意味著可以修改它們的欄位。但是，如果結構定義為只讀，那麼它的欄位將是不可變的。

1.3 類 vs 結構

類和結構在設計和使用時有不同的考慮因素，類適合表示複雜的物件和行為，支援繼承和多型性，而結構則更適合表示輕量級資料和值型別，以提高效能並避免引用的管理開銷。
類和結構有以下幾個基本的不同點：

  • 值型別 vs 引用型別：
    • 結構是值型別（Value Type）： 結構是值型別，它們在棧上分配記憶體，而不是在堆上。當將結構例項傳遞給方法或賦值給另一個變數時，將複製整個結構的內容。
    • 類是引用型別（Reference Type）： 類是引用型別，它們在堆上分配記憶體。當將類例項傳遞給方法或賦值給另一個變數時，實際上是傳遞引用（記憶體地址）而不是整個物件的副本。
  • 繼承和多型性：
    • 結構不能繼承： 結構不能繼承其他結構或類，也不能作為其他結構或類的基類。
    • 類支援繼承： 類支援繼承和多型性，可以透過派生新類來擴充套件現有類的功能。
  • 預設建構函式：
    • 結構不能有無引數的建構函式： 結構不能包含無引數的建構函式。如果結構有構造那麼就必須有至少一個有引數的建構函式。
    • 類可以有無引數的建構函式： 類可以包含無引數的建構函式，如果沒有提供建構函式，系統會提供預設的無引數建構函式。
  • 賦值行為：
    • 型別為類的變數在賦值時儲存的是引用，因此兩個變數指向同一個物件。
    • 結構變數在賦值時會複製整個結構，因此每個變數都有自己的獨立副本。
  • 傳遞方式：
    • 型別為類的物件在方法呼叫時透過引用傳遞，這意味著在方法中對物件所做的更改會影響到原始物件。
    • 結構物件通常透過值傳遞，這意味著傳遞的是結構的副本，而不是原始結構物件本身。因此，在方法中對結構所做的更改不會影響到原始物件。
  • 可空性：
    • 結構體是值型別，不能直接設定為 null：因為 null 是引用型別的預設值，而不是值型別的預設值。如果需要表示結構體變數的缺失或無效狀態，可以使用 Nullable<T> 或稱為 T? 的可空型別。
    • 類預設可為null： 類的例項預設可以為 null，因為它們是引用型別。
  • 效能和記憶體分配：
    • 結構通常更輕量： 由於結構是值型別且在棧上分配記憶體，它們通常比類更輕量，適用於簡單的資料表示。
    • 類可能有更多開銷： 由於類是引用型別，可能涉及更多的記憶體開銷和管理。

1.4 定義結構體

為了定義一個結構體，必須使用 struct 語句。
struct 語句為程式定義了一個帶有多個成員的新的資料型別。

例如，可以按照如下的方式宣告 Book 結構：

struct Books
{
   public string title;
   public string author;
   public string subject;
   public int book_id;
};

1.5 結構體指標

在 C# 中，我們通常透過 點運算子（.） 來訪問結構體的成員。如果透過指標訪問結構體的成員，則需要使用 unsafe 程式碼塊和指標運算子。

在 C# 中，指標 只在 unsafe 上下文中有效。使用結構體指標時，可以透過 -> 來訪問結構體的成員，類似於 C 或 C++ 的用法。

using System;

class Program
{
    // 定義一個簡單的結構體
    struct Point
    {
        public int X;
        public int Y;

        // 結構體的建構函式
        public Point(int x, int y)
        {
            X = x;
            Y = y;
        }
    }

    static void Main()
    {
        // 定義一個結構體例項
        Point p = new Point(10, 20);
        // 使用 unsafe 程式碼塊和指標來訪問結構體成員
        unsafe
        {
            // 獲取結構體的指標
            Point* pPointer = &p;

            // 使用 -> 訪問結構體成員
            Console.WriteLine($"X: {pPointer->X}, Y: {pPointer->Y}");  
            // 輸出: X: 10, Y: 20
        }
    }
}

解釋：

  • unsafe 程式碼塊：C# 中，指標操作需要在 unsafe 上下文中使用，因為指標操作繞過了 C# 的型別安全機制。
  • 結構體指標：透過 Point* pPointer = &p;，可以獲取 p 的指標。這裡 &p 是取 p 變數的地址，返回一個指向 Point 型別的指標。
  • -> 運算子：透過 pPointer->X 和 pPointer->Y，可以訪問結構體 Point 的成員。這類似於 C/C++ 中的指標訪問方式。

注意事項：

  • unsafe 程式碼：在 C# 中，預設情況下不允許直接操作指標，因此需要使用 unsafe 關鍵字標識程式碼塊。
  • 與 C/C++ 的差異：在 C# 中，-> 運算子僅在使用指標時有效，這與 C/C++ 中的使用方式一致。但普通的結構體訪問仍然是透過 . 運算子完成的。
  • 結構體是值型別：需要注意，結構體是值型別，直接宣告變數時是透過值傳遞的，不是引用傳遞。這意味著對結構體的賦值是複製，而不是引用。只有透過指標操作時，才能像引用型別一樣透過指標訪問其成員

1.6 例項

1.6.1 示例一

using System;
using System.Text;
     
struct Books
{
   public string title;
   public string author;
   public string subject;
   public int book_id;
};  

public class testStructure
{
   public static void Main(string[] args)
   {

      Books Book1;        /* 宣告 Book1，型別為 Books */
      Books Book2;        /* 宣告 Book2，型別為 Books */

      /* book 1 詳述 */
      Book1.title = "C Programming";
      Book1.author = "Nuha Ali";
      Book1.subject = "C Programming Tutorial";
      Book1.book_id = 6495407;

      /* book 2 詳述 */
      Book2.title = "Telecom Billing";
      Book2.author = "Zara Ali";
      Book2.subject =  "Telecom Billing Tutorial";
      Book2.book_id = 6495700;

      /* 列印 Book1 資訊 */
      Console.WriteLine( "Book 1 title : {0}", Book1.title);
      Console.WriteLine("Book 1 author : {0}", Book1.author);
      Console.WriteLine("Book 1 subject : {0}", Book1.subject);
      Console.WriteLine("Book 1 book_id :{0}", Book1.book_id);

      /* 列印 Book2 資訊 */
      Console.WriteLine("Book 2 title : {0}", Book2.title);
      Console.WriteLine("Book 2 author : {0}", Book2.author);
      Console.WriteLine("Book 2 subject : {0}", Book2.subject);
      Console.WriteLine("Book 2 book_id : {0}", Book2.book_id);      

      Console.ReadKey();

   }
}
當上面的程式碼被編譯和執行時，它會產生下列結果：

Book 1 title : C Programming
Book 1 author : Nuha Ali
Book 1 subject : C Programming Tutorial
Book 1 book_id : 6495407
Book 2 title : Telecom Billing
Book 2 author : Zara Ali
Book 2 subject : Telecom Billing Tutorial
Book 2 book_id : 6495700

1.6.2 示例二

using System;

// 結構宣告
struct MyStruct
{
    public int X;
    public int Y;

    // 結構不能有無引數的建構函式
    // public MyStruct()
    // {
    // }

    // 有引數的建構函式
    public MyStruct(int x, int y)
    {
        X = x;
        Y = y;
    }

    // 結構不能繼承
    // struct MyDerivedStruct : MyBaseStruct
    // {
    // }
}

// 類宣告
class MyClass
{
    public int X;
    public int Y;

    // 類可以有無引數的建構函式
    public MyClass()
    {
    }

    // 有引數的建構函式
    public MyClass(int x, int y)
    {
        X = x;
        Y = y;
    }

    // 類支援繼承
    // class MyDerivedClass : MyBaseClass
    // {
    // }
}

class Program
{
    static void Main()
    {
        // 結構是值型別，分配在棧上
        MyStruct structInstance1 = new MyStruct(1, 2);
        MyStruct structInstance2 = structInstance1; // 複製整個結構

        // 類是引用型別，分配在堆上
        MyClass classInstance1 = new MyClass(3, 4);
        MyClass classInstance2 = classInstance1; // 複製引用，指向同一個物件

        // 修改結構例項不影響其他例項
        structInstance1.X = 5;
        Console.WriteLine($"Struct: {structInstance1.X}, {structInstance2.X}");

        // 修改類例項會影響其他例項
        classInstance1.X = 6;
        Console.WriteLine($"Class: {classInstance1.X}, {classInstance2.X}");
    }
}

1.6.3 示例三

using System;
using System.Text;
     
struct Books
{
   private string title;
   private string author;
   private string subject;
   private int book_id;
   public void setValues(string t, string a, string s, int id)
   {
      title = t;
      author = a;
      subject = s;
      book_id =id;
   }
   public void display()
   {
      Console.WriteLine("Title : {0}", title);
      Console.WriteLine("Author : {0}", author);
      Console.WriteLine("Subject : {0}", subject);
      Console.WriteLine("Book_id :{0}", book_id);
   }

};  

public class testStructure
{
   public static void Main(string[] args)
   {

      Books Book1 = new Books(); /* 宣告 Book1，型別為 Books */
      Books Book2 = new Books(); /* 宣告 Book2，型別為 Books */

      /* book 1 詳述 */
      Book1.setValues("C Programming",
      "Nuha Ali", "C Programming Tutorial",6495407);

      /* book 2 詳述 */
      Book2.setValues("Telecom Billing",
      "Zara Ali", "Telecom Billing Tutorial", 6495700);

      /* 列印 Book1 資訊 */
      Book1.display();

      /* 列印 Book2 資訊 */
      Book2.display();

      Console.ReadKey();

   }
}

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