C# 探险之旅：第四十七节 - 结构体（Struct）—— 当类说：“嘿，我也有个精简版！”

嘿，探险家们！欢迎再次踏上C#的神秘之旅。今天，我们要聊的不是什么远古遗迹，也不是什么魔法咒语，而是一个超级实用、却又经常被忽略的小家伙——结构体（Struct）。想象一下，如果类是那个全能但稍显笨重的瑞士军刀，那么结构体就是那把轻巧、锋利的小刀，专门用来干些简单直接的活儿。

什么是结构体？

结构体，英文名叫Struct，听起来就像是“建造”或“结构”的意思，对吧？没错，它就是用来构建一些简单数据结构的。你可以把它想象成类的“迷你版”或者“精简版”。就像你有个大房子（类）可以住很多人，但有时候你只需要一个帐篷（结构体）来快速搭个营地，简单过夜。

结构体的特点

1. 值类型：不同于类是引用类型，结构体是值类型。这意味着当你把一个结构体传给另一个方法时，它是直接复制过去的，而不是传递一个引用。就像是给你朋友一个苹果的复印件，而不是原件。

2. 存储在栈上：因为它们是值类型，所以结构体通常存储在栈上，这使得访问速度非常快，就像是直接从口袋里拿东西一样方便。

3. 不能继承：结构体不能继承其他结构体或类，也不能被其他结构体或类继承。这就像是说：“我就是我，是颜色不一样的烟火。”

4. 适合小数据集合：结构体最适合用来存储一些小的、紧密相关的数据。比如，你想存储一个人的姓名、年龄和身高，用结构体就非常适合。

定义一个结构体

定义一个结构体超级简单，就像这样：

// 定义一个简单的结构体：Point
public struct Point
{
    // 字段
    public int X;
    public int Y;

    // 构造函数
    public Point(int x, int y)
    {
        X = x;
        Y = y;
    }

    // 方法
    public void Display()
    {
        Console.WriteLine($"点的坐标: ({X}, {Y})");
    }
}

在这个例子中，Point是一个结构体，它有两个字段X和Y，一个构造函数用于初始化这些字段，以及一个Display方法用于显示点的坐标。

结构体VS类：一场友好的辩论

• 结构体：“我轻量级，速度快，适合小任务！”
• 类：“我功能全面，能继承，能多态，适合大项目！”
• 结构体：“我不需要垃圾回收，因为我不在堆上分配内存！”
• 类：“我可以有复杂的对象关系，你行吗？”

结构体 vs 类：谁更适合？

结构体和类有很多相似之处，但它们也有一些关键的区别。为了更好地理解这些区别，我们可以把结构体比作一个小工具箱，而类比作一个大仓库。

结构体的特点：

• 值类型：结构体是值类型，这意味着它们存储在栈上（或嵌入到其他值类型中），并且每次传递时都会复制一份。这使得结构体非常适合存储小型、频繁使用的数据。

Point p1 = new Point(10, 20);
Point p2 = p1; // p2 是 p1 的副本
p2.X = 30;
Console.WriteLine(p1.X); // 输出 10
Console.WriteLine(p2.X); // 输出 30

•  轻量级：结构体通常比类更轻量级，因为它们不需要额外的内存管理开销（如垃圾回收）。这使得结构体非常适合用于表示简单的、不可变的数据结构。

• 不可变性：结构体默认是不可变的（除非你显式地添加修改器），这意味着一旦创建了结构体实例，就不能轻易修改它的字段。这有助于避免意外的状态变化，提高代码的安全性。

• 性能优势：由于结构体是值类型，它们在某些情况下可以提供更好的性能，尤其是在频繁创建和销毁的情况下。例如，在循环中创建大量的小对象时，使用结构体会比使用类更高效。

类的特点：

1. 引用类型：类是引用类型，意味着它们存储在堆上，并且多个变量可以共享同一个对象。这使得类适合用于表示复杂、长期存在的对象。

class Person
{
    public string Name { get; set; }
    public int Age { get; set; }
}

Person person1 = new Person { Name = "Alice", Age = 30 };
Person person2 = person1; // person2 和 person1 指向同一个对象
person2.Age = 31;
Console.WriteLine(person1.Age); // 输出 31
Console.WriteLine(person2.Age); // 输出 31

• 可变性：类通常是可变的，你可以随时修改对象的状态。这使得类适合用于表示需要频繁更新的对象。

• 继承和多态：类支持继承和多态，这意味着你可以创建层次化的对象模型，并利用面向对象编程的强大功能。结构体不支持继承（除了实现接口），因此它们更适合用于表示简单的、独立的数据结构。

什么时候使用结构体？

结构体最适合用于表示小型、不可变的数据结构，尤其是那些频繁创建和销毁的对象。以下是一些常见的使用场景：

• 几何形状：表示点、矩形、圆形等几何形状时，结构体是非常合适的选择。这些数据结构通常很小，且不需要复杂的逻辑。

public struct Rectangle
{
    public int Width;
    public int Height;

    public int Area => Width * Height;

    public void Display()
    {
        Console.WriteLine($"矩形的宽度: {Width}, 高度: {Height}, 面积: {Area}");
    }
}

• 数学运算：表示复数、向量、矩阵等数学概念时，结构体可以提供高效的性能和清晰的语义。 

public struct Complex
{
    public double Real;
    public double Imaginary;

    public Complex(double real, double imaginary)
    {
        Real = real;
        Imaginary = imaginary;
    }

    public static Complex operator +(Complex a, Complex b)
    {
        return new Complex(a.Real + b.Real, a.Imaginary + b.Imaginary);
    }

    public void Display()
    {
        Console.WriteLine($"{Real} + {Imaginary}i");
    }
}

•  数据库记录：表示简单的数据库记录时，结构体可以提供轻量级的存储方式，避免不必要的内存开销。

public struct UserRecord
{
    public int Id;
    public string Username;
    public string Email;

    public void Display()
    {
        Console.WriteLine($"用户ID: {Id}, 用户名: {Username}, 邮箱: {Email}");
    }
}

实例挑战：

为了更好地理解这些概念，让我们来看一个幽默的例子：

// 使用结构体
Cat myCat = new Cat("Whiskers", 3);
myCat.Meow(); // 输出: Whiskers 喵喵~ (年龄: 3)

// 复制结构体
Cat anotherCat = myCat;
anotherCat.Age = 5;

myCat.Meow(); // 输出: Whiskers 喵喵~ (年龄: 3)
anotherCat.Meow(); // 输出: Whiskers 喵喵~ (年龄: 5)

// 定义一个结构体：Cat
public struct Cat
{
    public string Name;
    public int Age;

    public Cat(string name, int age)
    {
        Name = name;
        Age = age;
    }

    public void Meow()
    {
        Console.WriteLine($"{Name} 喵喵~ (年龄: {Age})");
    }
}

在这个例子中，Cat是一个结构体，它包含猫的名字和年龄，并且有一个Meow方法让猫发出声音。由于结构体是值类型，anotherCat是myCat的一个副本，修改anotherCat的年龄不会影响myCat的年龄。

小结

结构体是C#中一种轻量级的、值类型的容器，它非常适合用于表示小型、不可变的数据结构。通过使用结构体，你可以编写更高效、更简洁的代码，避免不必要的内存开销。希望这段探险之旅让你对结构体有了新的认识，也希望能为你的编程旅途增添一些乐趣。继续前行，更多精彩的C#探险等着你！