(转载)后来居上：class和struct

你必须知道的.NET] 第四回：后来居上：class和struct-王涛

[你必须知道的.NET]第四回：后来居上：class和struct

Author: 王涛

Date：2007-4-24

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本文将介绍以下内容：

  • 面向对象基本概念
  • 类和结构体简介
  • 引用类型和值类型区别

1. 引言

提起class 和struct ，我们首先的感觉是语法几乎相同，待遇却翻天复地。历史将接力棒由面向过程编程传到面向对象编程，class 和struct 也背负着各自的命运前行。在我认为，struct 英雄迟暮，class 天下独行，最本质的区别是class 是引用类型，而struct 是值类型，它们在内存中的分配情况有所区别。由此产生的一系列差异性，本文将做以全面讨论。 

2. 基本概念

2.1. 什么是class?

class （类）是面向对象编程的基本概念，是一种自定义数据结构类型，通常包含字段、属性、方法、属性、构造函数、索引器、操作符等。因为是基本的概念，所以不必在此详细描述，读者可以查询相关概念了解。我们重点强调的是.NET 中，所有的类都最终继承自System.Object 类，因此是一种引用类型，也就是说，new 一个类的实例时，对象保存了该实例实际数据的引用地址，而对象的值保存在托管堆（managed heap ）中。 

2.2. 什么是struct?

struct （结构）是一种值类型，用于将一组相关的信息变量组织为一个单一的变量实体 。所有的结构都继承自System.ValueType 类，因此是一种值类型，也就是说，struct 实例分配在线程的堆栈（stack ）上，它本身存储了值，而不包含指向该值的指针。所以在使用struct 时，我们可以将其当作int 、char 这样的基本类型类对待。

3. 相同点，不同点

相同点：语法类似。

不同点：

  • class 是引用类型，继承自System.Object 类；struct 是值类型，继承自System.ValueType 类，因此不具多态性。但是注意，System.ValueType 是个引用类型。
  • 从职能观点来看，class 表现为行为；而struct 常用于存储数据。
  • class 支持继承，可以继承自类和接口；而struct 没有继承性，struct 不能从class 继承，也不能作为class 的基类，但struct 支持接口继承（记得吗，《第二回：对抽象编程：接口和抽象类 》也做过讨论）
  • class 可以声明无参构造函数，可以声明析构函数；而struct 只能声明带参数构造函数，且不能声明析构函数。因此，struct 没有自定义的默认无参构造函数，默认无参构造器只是简单地把所有值初始化为它们的0 等价值
  • 实例化时，class 要使用new 关键字； 而struct 可以不使用new 关键 字，如果不以new 来实例化struct ，则其所有的字段将处于未分配状态，直到所有字段完成初始化，否则引用未赋值的字段会导致编译错误。
  • class 可以实抽象类（abstract ），可以声明抽象函数；而struct 为抽象，也不能声明抽象函数。
  • class 可以声明protected 成员、virtual 成员、sealed 成员和override 成员；而struct 不可以，但是值得注意的是，struct 可以重载System.Object 的3 个虚方法，Equals() 、ToString() 和GetHashTable() 。
  • class 的对象复制分为浅拷贝和深拷贝（该主题我们在本系列以后的主题中将重点讲述，本文不作详述），必须经过特别的方法来完成复制；而struct 创建的对象复制简单，可以直接以等号连接即可。
  • class 实例由垃圾回收机制来保证内存的回收处理；而struct 变量使用完后立即自动解除内存分配。
  • 作为参数传递时，class 变量是以按址方式传递；而struct 变量是以按值方式传递的。
  • 我们可以简单的理解，class 是一个可以动的机器，有行为，有多态，有继承；而struct 就是个零件箱，组合了不同结构的零件。其实，class 和struct 最本质的区别就在于class 是引用类型，内存分配于托管堆；而struct 是值类型，内存分配于线程的堆栈上。由此差异，导致了上述所有的不同点，所以只有深刻的理解内存分配的相关内容，才能更好的驾驭。本系列将再以后的内容中，将引用类型和值类型做以深入的比较和探讨，敬请关注。当然正如本文标题描述的一样，使用class 基本可以替代struct 的任何场合，class 后来居上。虽然在某些方面struct 有性能方面的优势，但是在面向对象编程里，基本是class 横行的天下。
  • 那么，有人不免会提出，既然class 几乎可以完全替代struct 来实现所有的功能，那么struct 还有存在的必要吗？答案是，至少在以下情况下，鉴于性能上的考虑，我们应该考虑使用struct 来代替class ：
  • 实现一个主要用于存储数据的结构时，可以考虑struct 。
  • struct 变量占有堆栈的空间，因此只适用于数据量相对小的场合。
  • 结构数组具有更高的效率。
  • 提供某些和非托管代码通信的兼容性。

所有这些是struct 有一席之地的理由，当然也许还有其他的更多说法，只是我不知道罢了:-)

4. 经典示例

4.1 小菜一碟

下面以示例为说明，来阐述本文的基本规则，详细见注释内容。
（1 ）定义接口

  1. interface IPerson
  2.     {
  3.         void GetSex();
  4.     }

（2 ）定义类

  1. public class Person
  2.     {
  3.         public Person()
  4.         { 
  5.         }
  6.  
  7.         public Person(string name, int age)
  8.         {
  9.             _name = name;
  10.             _age = age;
  11.         }
  12.  
  13.         private string _name;
  14.  
  15.         public string Name
  16.         {
  17.           get { return _name; }
  18.           set { _name = value; }
  19.         }
  20.  
  21.         private int _age;
  22.  
  23.         public int Age
  24.         {
  25.           get { return _age; }
  26.           set { _age = value; }
  27.         } 
  28.     }

（3 ）定义结构

  1. //可以继承自接口，不可继承类或结构
  2.     struct Family: IPerson
  3.     {
  4.         public string name;
  5.         public int age;
  6.         public bool sex;
  7.         public string country;
  8.         public Person person;
  9.  
  10.         //不可以包含显式的无参构造函数和析构函数
  11.         public Family(string name, int age, bool sex, string country, Person person)
  12.         {
  13.             this.name = name;
  14.             this.age = age;
  15.             this.sex = sex;
  16.             this.country = country;
  17.             this.person = person;
  18.         }
  19.  
  20.         //不可以实现protected、virtual、sealed和override成员
  21.         public void GetSex()
  22.         {
  23.             if (sex)
  24.                 Console.WriteLine(person.Name + " is a boy.");
  25.             else
  26.                 Console.WriteLine(person.Name + " is a girl.");
  27.         }
  28.  
  29.         public void ShowPerson()
  30.         {
  31.             Console.WriteLine("This is {0} from {1}", new Person(name, 22).Name, country);
  32.         }
  33.  
  34.         //可以重载ToString虚方法
  35.         public override string ToString()
  36.         {
  37.             return String.Format("{0} is {1}, {2} from {3}", person.Name, age, sex ? "Boy" : "Girl", country);
  38.         }
  39.     }

（4 ）测试结构和类

猜猜运行结果如何，可以顺便检查检查对这个概念的认识。

4.2 .NET 研究

在.NET 框架中，System.Drawing 命名空间中的有些元素，如System.Drawing.Point 就是实现为struct ，而不是class 。其原因也正在于以上介绍的各方面的权衡，大家可以就此研究研究，可以体会更多。另外，还有以struct 实现的System.Guid 。

5.结论

对基本概念的把握，是我们进行技术深入探索的必经之路，本系列的主旨也是能够从基本框架中，提供给大家一个通向高级技术的必修课程。本文关于class 和struct 的讨论就是如此，在.NET 框架中，关于class 和struct 的讨论将涉及到对引用类型和值类型的认识，并且进一步将触角伸向变量内存分配这一高级主题，所以我们有必要来了解其运行机制，把握区别和应用场合，以便在平常的系统设计中把握好对这一概念层次的把握。

另外，请大家就以下问题进行讨论，希望能够更加清晰本文的拓展：

  •  struct 还主要应用在哪些方面？
  • C++ 和C# 中，关于struct 的应用又有所不同，这些不同又有哪些区别
posted @ 2011-03-09 14:48  一杯浓茶  阅读(237)  评论(0)  编辑  收藏  举报