簡介

struct 是 值類型（Value Type），用於封裝一組相關的數據。
與類（class）相比，結構體通常更輕量，適用於小型、短生命週期的對象。

⚡ 關鍵特點：

• 存儲在 棧（stack）上（也可能嵌套在堆中，但本質仍是值類型）。
• 按值傳遞（賦值/參數傳遞時會複製整個結構）。
• 無需垃圾回收（GC），生命週期由作用域決定。
• 可包含字段、屬性、方法、構造函數、運算符重載等。

基本語法

public struct Point
{
    public int X;
    public int Y;

    public Point(int x, int y)
    {
        X = x;
        Y = y;
    }

    public void Move(int dx, int dy)
    {
        X += dx;
        Y += dy;
    }
}

使用：

Point p1 = new Point(3, 4);
p1.Move(1, 2);
Console.WriteLine($"{p1.X}, {p1.Y}"); // 4, 6

內存模型與分配

即使 struct 位於堆中（例如類字段、數組元素），它仍然是值類型，操作時是按值複製。

與 class 的區別

構造函數與初始化

默認構造函數

• 所有結構體都有一個隱式的無參構造函數，將所有字段初始化為 默認值（如 0、null）。
• 用户不能顯式定義無參構造函數（C# 10 開始支持，但有限制）。

自定義構造函數

可以定義有參構造函數，但必須初始化所有字段。

public Point(int x, int y)
{
    X = x;          // 必須全部賦值
    Y = y;
}

結構體的成員

結構體可以包含：

• 字段（Field）
• 屬性（Property）
• 方法（Method）
• 事件（Event）
• 運算符重載
• 靜態成員
• 構造函數（但無參構造受限）

不支持：

• 繼承其他類/結構體（只能實現接口）。
• 明確的析構函數（~Destructor）。

值類型的特性

按值傳遞

結構體賦值時會複製整個值：

Point p1 = new Point(1, 2);
Point p2 = p1;   // 複製
p2.X = 99;
Console.WriteLine(p1.X); // 1，不受 p2 修改影響

裝箱/拆箱

賦值給 object 或接口時，會將結構體複製到堆中：

Point p = new Point(1, 2);
object obj = p;      // 裝箱：複製到堆
Point p2 = (Point)obj; // 拆箱：從堆複製回棧

裝箱/拆箱會帶來性能開銷，應儘量避免頻繁發生。

不可變結構體（Immutable struct）

為了避免複製帶來的副作用，結構體推薦設計為不可變：

public readonly struct Point
{
    public int X { get; }
    public int Y { get; }
    public Point(int x, int y) => (X, Y) = (x, y);
}

實現接口

public interface IDrawable
{
    void Draw();
}

public struct Circle : IDrawable
{
    public double Radius { get; }
    public Point Center { get; }
    
    public Circle(double radius, Point center)
    {
        Radius = radius;
        Center = center;
    }
    
    public void Draw()
    {
        Console.WriteLine($"Drawing circle at {Center} with radius {Radius}");
    }
    
    public double Area => Math.PI * Radius * Radius;
}

struct Rectangle : IEquatable<Rectangle>
{
    public int Width, Height;

    public bool Equals(Rectangle other)
    {
        return Width == other.Width && Height == other.Height;
    }

    public override bool Equals(object obj) => obj is Rectangle other && Equals(other);
    public override int GetHashCode() => HashCode.Combine(Width, Height);
}

var r1 = new Rectangle { Width = 10, Height = 20 };
var r2 = new Rectangle { Width = 10, Height = 20 };
Console.WriteLine(r1.Equals(r2)); // 輸出: True

運算符重載示例

struct Point
{
    public int X, Y;

    public Point(int x, int y)
    {
        X = x;
        Y = y;
    }

    public static Point operator +(Point a, Point b)
    {
        return new Point(a.X + b.X, a.Y + b.Y);
    }

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

var p1 = new Point(1, 2);
var p2 = new Point(3, 4);
var sum = p1 + p2;
Console.WriteLine(sum); // 輸出: (4, 6)

結構體的新特性

readonly struct

• 表示完全不可變。
• 編譯器強制所有字段為 readonly。
• 防止無意修改。

public readonly struct Vector
{
    public readonly double X;
    public readonly double Y;
}

ref struct

• 只能在棧上分配。
• 用於高性能場景，如 Span<T>。

record struct

值類型的 記錄類型，支持內建的值比較、with 表達式。

public record struct Point(int X, int Y);
var p1 = new Point(1,2);
var p2 = p1 with { X = 3 }; // 基於值的複製

高級用法

與模式匹配結合使用

public struct RGBColor
{
    public byte R;
    public byte G;
    public byte B;
    
    public RGBColor(byte r, byte g, byte b)
    {
        R = r;
        G = g;
        B = b;
    }
    
    public void Deconstruct(out byte r, out byte g, out byte b)
    {
        r = R;
        g = G;
        b = B;
    }
}

class Program
{
    static string GetColorName(RGBColor color)
    {
        return color switch
        {
            (255, 0, 0) => "Red",
            (0, 255, 0) => "Green",
            (0, 0, 255) => "Blue",
            (255, 255, 255) => "White",
            (0, 0, 0) => "Black",
            _ => "Unknown"
        };
    }
    
    static void Main()
    {
        RGBColor red = new RGBColor(255, 0, 0);
        Console.WriteLine(GetColorName(red)); // 輸出: Red
    }
}

適用場景

✅ 適合：

• 輕量級、小數據對象（座標、顏色、矩形、數值容器等）。
• 高性能計算（避免 GC 開銷）。
• 頻繁創建銷燬的對象。

❌ 不適合：

• 對象非常大（複製開銷高）。
• 需要繼承層次。
• 需要引用語義（共享同一對象）。

如果類型大小超過 16 字節，且頻繁傳遞，建議使用 class 而不是 struct。

實戰示例

高性能點計算

public readonly struct Point
{
    public readonly double X;
    public readonly double Y;
    public Point(double x, double y) => (X, Y) = (x, y);

    public double Distance(Point other) =>
        Math.Sqrt(Math.Pow(X - other.X, 2) + Math.Pow(Y - other.Y, 2));
}

void Demo()
{
    Point p1 = new(1, 2);
    Point p2 = new(4, 6);
    Console.WriteLine(p1.Distance(p2)); // 5
}

• 無 GC 壓力。
• 值傳遞保證線程安全。

總結