C# 语言值类型之结构

结构类型（“structuretype”或“struct type”）是一种可封装数据和相关功能的值类型。使用 struct 关键字定义结构类型：

public struct Coords
{
    public Coords(double x, double y)
    {
        X = x;
        Y = y;
    }
    public double X { get; }
    public double Y { get; }
    public override string ToString() => $"({X}, {Y})";
}

结构类型具有值语义。也就是说，结构类型的变量包含类型的实例。默认情况下，在分配中，通过将参数传递给方法并返回方法结果来复制变量值。对于结构类型变量，将复制该类型的实例。

通常，可以使用结构类型来设计以数据为中心的较小类型，这些类型只有很少的行为或没有行为。例如，.NET 使用结构类型来表示数字（整数和实数）、布尔值、Unicode 字符以及时间实例。如果侧重于类型的行为，请考虑定义一个类。类类型具有引用语义。也就是说，类类型的变量包含的是对类型的实例的引用，而不是实例本身。由于结构类型具有值语义，因此建议定义不可变的结构类型。

只读结构
只读实例成员
结构类型的设计限制
结构类型的实例化
按引用传递结构类型变量
ref 结构
struct 泛型约束

只读结构

从 C# 7.2 开始，可以使用 readonly 修饰符来声明结构类型为不可变。readonly 结构的所有数据成员都必须是只读的，如下所示：

任何字段声明都必须具有 readonly 修饰符
任何属性（包括自动实现的属性）都必须是只读的。在 C# 9.0 和更高版本中，属性可以具有 init 访问器。

这样可以保证 readonly 结构的成员不会修改该结构的状态。在 C# 8.0 及更高版本中，这意味着除构造函数外的其他实例成员是隐式 readonly 。

注意：在 只读 结构中，可变引用类型的数据成员仍可改变其自身的状态。例如，不能替换 List<T> 实例，但可以向其中添加新元素。

下面的代码使用 init-only 属性资源库定义 readonly 结构，此内容在 C# 9.0 及更高版本中才会生效：

public readonly struct Coords
{
    public Coords(double x, double y)
    {
        X = x;
        Y = y;
    }
    public double X { get; init; }
    public double Y { get; init; }
    public override string ToString() => $"({X}, {Y})";
}

只读实例成员

从 C# 8.0 开始，还可以使用 readonly 修饰符声明实例成员不会修改结构的状态。如果不能将整个结构类型声明为 readonly ，可使用 readonly 修饰符标记不会修改结构状态的实例成员。

在 readonly 实例成员内，不能分配到结构的实例字段。但是，readonly 成员可以调用非 readonly 成员。在这种情况下，编译器将创建结构实例的副本，并调用该副本上的非 readonly 成员。因此，不会修改原始结构实例。

通常，将 readonly 修饰符应用于以下类型的实例成员：

方法

  public readonly double Sum()
  {
      return X + Y;
  }

还可以将 readonly 修饰符应用于可替代在 System.Object 中声明的方法的方法：

  public readonly override string ToString() => $"({X}, {Y})";

属性和索引器：

  private int counter;
  public int Counter
  {
      readonly get => counter;
      set => counter = value;
  }

如果需要将 readonly 修饰符应用于属性或索引器的两个访问器，请在属性或索引器的声明中应用它。不管属性声明中是否存在 readonly 修饰符，编译器都会将自动实现的属性的 get 访问器声明为 readonly 。

在 C# 9.0 和更高版本中，可以将 readonly 修饰符应用于具有 init 访问器的属性或索引器：

public readonly double X { get; init; }

注意：不能将 readonly 修饰符应用于结构类型的静态成员。

结构类型的设计限制

设计结构类型时，具有与类类型相同的功能，但有以下例外：

不能声明无参数构造函数。每个结构类型都已经提供了一个隐式无参数构造函数，该构造函数生成类型的默认值。
不能在声明实例字段或属性时对它们进行初始化。但是，可以在其声明中初始化静态或常量字段或静态属性。
结构类型的构造函数必须初始化该类型的所有实例字段。
结构类型不能从其他类或结构类型继承，也不能作为类的基础类型。但是，结构类型可以实现接口。
不能在结构类型中声明终结器。

结构类型的实例化

在 C# 中，必须先初始化已声明的变量，然后才能使用该变量。由于结构类型变量不能为 null （除非它是可为空的值类型的变量），因此，必须实例化相应类型的实例。有多种方法可实现此目的。

通常，可使用 new 运算符调用适当的构造函数来实例化结构类型。每个结构类型都至少有一个构造函数。这是一个隐式无参数构造函数，用于生成类型的默认值。还可以使用默认值表达式来生成类型的默认值。

如果结构类型的所有实例字段都是可访问的，则还可以在不使用 new 运算符的情况下对其进行实例化。在这种情况下，在首次使用实例之前必须初始化所有实例字段。下面的示例演示如何执行此操作：

public static class StructWithoutNew
{
    public struct Coords
    {
        public double x;
        public double y;
    }
    public static void Main()
    {
        Coords p;
        p.x = 3;
        p.y = 4;
        Console.WriteLine($"({p.x}, {p.y})"); // output: (3, 4)
    }
}

在处理内置值类型的情况下，请使用相应的文本来指定类型的值。

按引用传递结构类型变量

将结构类型变量作为参数传递给方法或从方法返回结构类型值时，将复制结构类型的整个实例。这可能会影响高性能方案中涉及大型结构类型的代码的性能。通过按引用传递结构类型变量，可以避免值复制操作。使用ref 、 out 或 in 方法参数修饰符，指示必须按引用传递参数。使用 ref 返回值按引用返回方法结果。

ref 结构

从 C# 7.2 开始，可以在结构类型的声明中使用 ref 修饰符。 ref 结构类型的实例在堆栈上分配，并且不能转义到托管堆。为了确保这一点，编译器将 ref 结构类型的使用限制如下：

ref 结构不能是数组的元素类型。
ref 结构不能是类或非 ref 结构的字段的声明类型。
ref 结构不能实现接口。
ref 结构不能被装箱为 System.ValueType 或 System.Object。
ref 结构不能是类型参数。
ref 结构变量不能由 lambda 表达式或本地函数捕获。
ref 结构变量不能在 async 方法中使用。但是，可以在同步方法中使用 ref 结构变量，例如，在返回 Task或Task<TResult> 的方法中。
ref 结构变量不能在迭代器中使用。

通常，如果需要一种同时包含 ref 结构类型的数据成员的类型，可以定义 ref 结构类型：

public ref struct CustomRef
{
    public bool IsValid;
    public Span<int> Inputs;
    public Span<int> Outputs;
}

若要将 ref 结构声明为 readonly ，请在类型声明中组合使用 readonly 修饰符和 ref 修饰符（ readonly 修饰符必须位于 ref 修饰符之前）：

public readonly ref struct ConversionRequest{ public ConversionRequest(double rate, ReadOnlySpan values) { Rate = rate; Values = values; } public double Rate { get; } public ReadOnlySpan Values { get; }}

在 .NET 中， ref 结构的示例分别是 System.Span<T> 和 System.ReadOnlySpan<T>。

struct 泛型约束

你还可在 struct 约束中使用 struct 关键字，来指定类型参数为不可为 null 的值类型。结构类型和枚举类型都满足 struct 约束。

public void s<T>(T t) where T : struct
{ }