C# Class與Struct差異(使用LinqPad)

近期要學習 C# reocrd，因此想要先了解一下 Class 與 Struct 的差異，以下是筆記。

Class 與 Struct 差異

在程式設計中，Class（類別）和 Struct（結構）是兩種用來定義資料型別的基本構造。了解兩者之間的差異有助於在不同的情境下選擇適當的資料型別。以下將從多個角度來探討它們的不同之處。

1. 基本概念與核心差異

類別 (Class)：
- 參考型別 (Reference Type)
- 使用堆積記憶體 (Heap Memory)
- 可以繼承 (支持繼承)
- 可包含複雜物件與方法
結構 (Struct)：
- 實值型別 (Value Type)
- 使用堆疊記憶體 (Stack Memory)
- 不可以繼承 (不支持繼承)
- 適合較簡單的資料結構

2. 記憶體分配

類別 (Class)：
- 透過 new 關鍵字創建實例，分配在堆積上。
- 擁有較長的生命周期，直到沒有引用指向它們時才會被垃圾回收機制清理。
結構 (Struct)：
- 可以直接創建實例，不需要 new 關鍵字，分配在堆疊上。
- 生命週期較短，當超出作用域時就會被清理。

2-1 創建實例變化

當兩者創建實例時，可以看到他們效果會是一樣內容。

var s1 = new sampleClass();
var s3 = new sampleStruct();
s1.Dump("use initial");
s3.Dump("use initial");

class sampleClass
{
	public string name { get; set; } = "conte";
	public int score { get; set; }
}

struct sampleStruct
{
	public sampleStruct() {}
	
	public string name { get; set; }  ="conte";
	public int score { get; set; }
}

2-2 default 變化

當使用 default 時，可以看到類別會是 null，結構則是包含者屬性內容，但不會包含著預設參數。

sampleClass s2 = default;
sampleStruct s4 = default;
s2.Dump("use default");
s4.Dump("use default");

class sampleClass
{
	public string name { get; set; } = "conte";
	public int score { get; set; }
}

struct sampleStruct
{
	public sampleStruct() {}
	
	public string name { get; set; }  ="conte";
	public int score { get; set; }
}

2-3 陣列變化

陣列便會就會比較有趣一點，可以看到類別的陣列會是 null，結構則是包含者屬性內容，但不會包含著預設參數。

var s1 = new sampleClass[5];
var s3 = new sampleStruct[5];
s1.Dump("use initial");
s3.Dump("use initial");

2-4 變數 Equals 比較

以下結果可以讓各位讀者知道什麼叫做參考型別和實值型別。

參考型別 : 會比較記憶體位置，因此兩個變數會是相等。
實質型別 : 會比較內容，因此兩個變數會是不相等。

因此可以看到類別的 s1 和 s2 是相等的，結構的 s3 和 s4 是不相等的。

var s1 = new sampleClass();
var s3 = new sampleStruct();

var s2 = s1;
s2.name = "json";

var s4 = s3;
s4.name = "joh";

("use class. state:" + (s1.Equals(s2))).Dump();
s1.Dump();
s2.Dump();
("use struct.  state:" + (s3.Equals(s4))).Dump();
s3.Dump();
s4.Dump();

3. 性能與應用場合

類別 (Class)：
- 適合處理複雜的資料結構和需要大量屬性及方法的物件。
- 因為是參考型別，引用的傳遞成本較低，但需注意多執行緒下的同步問題。
結構 (Struct)：
- 適合簡單且頻繁使用的小型資料結構，如數值類型、座標點等。
- 因為是實值型別，拷貝操作較常見，因此在大型結構體的情況下可能導致性能問題。

4. 繼承與多態

類別 (Class)：
- 支持繼承，可以實現多態和抽象概念的繼承體系。
- 成員可以是虛擬函數 (virtual function) 或抽象函數 (abstract function)。
結構 (Struct)：
- 不支持繼承，無法形成繼承體系。
- 成員不能是虛擬函數或抽象函數。

5. 預設存取修飾

類別 (Class)：
- 成員預設為私有 (private)，需顯式聲明為公共 (public) 才能被外部訪問。
結構 (Struct)：
- 成員預設為公共 (public)，無需特別聲明即能被外部訪問。

6. 使用情境

類別 (Class)：
- 當需要管理複雜的狀態或行為時，如人、車輛等。
- 需要使用繼承和多態時。
結構 (Struct)：
- 當需要高效的頻繁資料操作時，如數學計算中的向量、矩陣等。
- 簡單且邏輯上表示單一值的資料結構，如座標點、顏色值等。

比較表

特性	類別 (Class)	結構 (Struct)
型別	參考型別 (Reference Type)	實值型別 (Value Type)
記憶體分配	堆積 (Heap)	堆疊 (Stack)
支持繼承	是	否
預設存取修飾	私有 (Private)	公共 (Public)
使用場景	複雜物件、需要繼承/多態的情況	短期存在、頻繁操作的簡單資料結構