簡介

ref struct 是 C# 7.2 引入的一種特殊結構體類型，
它與普通 struct 的最大區別是 嚴格限制其分配位置：

ref struct 只能分配在棧（stack）上，不能分配在堆（heap）上。

⚡ 設計初衷

• 提高性能：棧分配比堆分配快，並且無需 GC 回收。
• 提供安全的內存訪問：保證生命週期受控，防止內存泄漏和懸空引用。
• 適用於需要直接操作內存的場景，例如 Span<T>、ReadOnlySpan<T>。

關鍵特性

• 只能分配在棧上，不能分配在堆上
• 不能作為類的字段
• 不能實現接口
• 不能裝箱
• 不能作為異步方法或迭代器的局部變量

基本語法

public ref struct MyStruct
{
    public int X;
    public int Y;

    public void Print() => Console.WriteLine($"{X}, {Y}");
}

與普通 struct 的區別

ref struct 的限制確保它 不會被錯誤地提升到堆中，保證其生命週期安全。

使用場景

ref struct 非常適合以下 高性能、低開銷 的場景：

典型示例

Span<T>：最常見的 ref struct

Span<T> 是一個表示連續內存區域的類型：

Span<int> numbers = stackalloc int[5] { 1, 2, 3, 4, 5 };
numbers[2] = 99;

foreach (var n in numbers)
    Console.Write($"{n} "); // 輸出: 1 2 99 4 5

• stackalloc 在棧上分配內存。
• Span<T> 只能存在於當前方法棧中，離開作用域自動回收。

自定義 ref struct

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

    public double Length => Math.Sqrt(X * X + Y * Y);
}

void Demo()
{
    var p = new Point { X = 3, Y = 4 };
    Console.WriteLine(p.Length); // 5
}

與 stackalloc 配合

public static Span<byte> CreateBuffer()
{
    Span<byte> buffer = stackalloc byte[1024]; // 棧上分配 1KB
    buffer[0] = 42;
    return buffer; // ❌ 錯誤：不能返回 ref struct
}

返回 Span<T> 會導致棧內存逃逸，因此編譯器會報錯。

編譯器施加的約束

ref struct 的安全限制主要有以下幾點：

不能裝箱

ref struct MyStruct { }
object o = new MyStruct(); // ❌ 編譯錯誤

因為裝箱會將值類型複製到堆上。

不能實現接口

ref struct MyStruct : IDisposable { } // ❌ 編譯錯誤

接口調用可能導致提升到堆，破壞生命週期安全。

不能作為類字段

class MyClass
{
    public Span<int> SpanField; // ❌ 編譯錯誤
}

因為類實例在堆上，而 ref struct 只能存在棧上。

不能用作泛型參數

List<Span<int>> list = new(); // ❌ 編譯錯誤

不能捕獲到閉包

Span<int> span = stackalloc int[10];
Action action = () => Console.WriteLine(span[0]); // ❌ 編譯錯誤

閉包會將變量提升到堆中，破壞生命週期。

不能用於異步方法/迭代器

async Task Demo()
{
    Span<int> span = stackalloc int[10]; // ❌ 編譯錯誤
    await Task.Delay(1000);
}

異步狀態機會導致變量在堆上存儲。

與其他類型對比

性能優勢

實戰示例：高性能字符串切片

public static int ParseDigits(ReadOnlySpan<char> span)
{
    int value = 0;
    foreach (var c in span)
    {
        if (!char.IsDigit(c)) break;
        value = value * 10 + (c - '0');
    }
    return value;
}

void Demo()
{
    string input = "12345abc";
    var slice = input.AsSpan(0, 5); // 直接操作原字符串內存
    Console.WriteLine(ParseDigits(slice)); // 輸出 12345
}

優勢：

• 不會產生 Substring 帶來的額外堆分配。
• 內存安全且性能接近指針操作。

總結