Структуры (struct) в C#
Структура ( struct ) в C# — это пользовательский тип данных, который используется наряду с классами и может содержать какие-либо данные и методы. Структурами также являются такие типы данных как int , double и т.д. Основное отличие структуры ( struct ) от класса ( class ) заключается в том, что структура — это тип значений, а класс — это ссылочный тип.
Объявление структуры
Для того, чтобы объявить переменную типа структуры в C# используется ключевое слово struct :
После ключевого слова struct следует имя структуры и далее, в фигурных скобках — элементы структуры (поля, методы и т.д.). Например, определим структуру, которая описывает точку в трехмерном пространстве:
Наша структура содержит три свойства — координаты X,Y,Z и один переопределенный метод ToString , который возвращает строку с координатами точки. Обращение к полям, свойствам и методам структуры, как и в случае с классами, происходит с использованием имени переменной, например:
здесь Point — это имя переменной типа Point3D .
Создание структуры
Как и в случае с классами, структуры в C# можно создавать с использованием ключевого слова new :
После того, как структура создана, её полям и свойствам можно присваивать значения (см. в предыдущем пункте).
Начиная с .NET 5 в C# 9 можно использовать краткую форму записи new :
Если структура содержит только публичные поля (не путать со свойствами) и методы, то можно не вызывать конструктор, а сразу назначить значение полей и после этого вызывать методы структуру. Например:
Начиная с версии C# 10 полям структуры можно присваивать значения по умолчанию, однако, в этом случае необходимо будет вызвать new(), чтобы создать экземпляр структуры. Например:
Если мы попытаемся вывести в консоль значения полей вот так:
то получим ошибку «Попытка доступа к неинициализированной переменной». Поэтому, необходимо получать доступ к переменной point с использованием оператора new:
Конструкторы структур
Здесь, опять же, структуры ничем не отличаются от классов C#. У любой структуры есть как минимум один конструктор (конструктор по умолчанию) без параметров. При этом, мы можем создавать свои конструкторы и точно также, как и с классами вызывать их по цепочке, например:
Создаем структуры ( struct )
Начиная с версии C# 10 мы можем также создать для структуры свой конструктор без параметров:
Инициализатор структур struct
Значения полей и свойств структуры, как в случае и с классами, можно задавать непосредственно при создании, используя следующую языковую конструкцию:
то есть вначале мы объявляем переменную, затем вызываем конструктор и затем в фигурных скобках указываем имена полей или свойств и их значения. Даже, если мы создадим и проинициализируем структуру вот так:
то значения полей будут теми, которые мы указываем в инициализаторе, т.е. 24, 45 и 22.
Копирование структур с изменением значений (оператор with)
Начиная с версии C# 10 мы можем копировать значения структур с изменениями, например:
Вывод в консоли:
Отличие структуры от класса в C#
Думаю, что после прочтения всего, что было выше, у любого начинающего программировать в C# человека возникнет резонный вопрос: если у структур в C# всё тоже самое, что и у классов. то зачем нам эти структуры нужны и, если всё-таки они нужны, то когда их использовать? Попробуем в кратце разобраться с этим вопросом вместе.
Структура — тип значений, класс — ссылочный тип
Если не вдаваться далеко в подробности работы программ, то основное отличие struct от class заключается в том, что структура храниться целиком в стеке, а объект класса храниться в куче, а ссылка на него — в стеке. В результате этого, доступ к данным структуре будет путь не намного, но быстрее, чем к классу. О том, что такое стек и куча мы ещё поговорим позднее.
Структуры не поддерживают наследование
В отличие от классов C#, наследование структур не поддерживается, то есть вот такой код приведет к ошибке:
Когда использовать структуры (struct), а когда классы (class) в C#
Конечно, вопрос о том, что лучше использовать зависит, в первую очередь, от того в контексте чего задается такой вопрос, но основная рекомендация от Microsoft может быть сформулирована следующим образом: структуры (struct) стоит использовать в том случае, если ваш объект содержит минимальное количество каких-либо логически связанных операций или не содержит их вообще.
Например, использование структур вполне оправдано в примерах выше — описание точки в трехмерном пространстве. Максимум логики, которую мы можем добавить в структуру — это переопределить операторы сложения, вычитания и равенства.
Если же мы пробуем описать с помощью своего типа данных, например, автомобиль, то тут уже логика может быть самая разветвленная: проверка наличия топлива в баке, технические характеристики, оценка состояния в зависимости от каких-либо внешних или внутренних факторов и т.д. Соответственно, в этом случае, более предпочтительным будет использование не структуры, а класса.
Итого
Как и классы в C#, структуры позволяют определить пользовательский тип данных в вашем проекте. При этом, на первый взгляд, структуры (struct) практически ни чем не отличаются от классов, однако различия есть: во-первых, структуры относятся к типам значений, во-вторых, структуры не поддерживают механизмов наследования. Использовать или не использовать структуры — решение самого разработчика, однако, рекомендуется использовать тип struct только в том случае, если ваш пользовательский тип данных содержит минимум бизнес-логики или не содержит её вовсе.
Структуры в C# и ее плюсы
Где можно использовать структуры? И в каких ситуациях лучше прибегнуть к структурам, нежели к классам?
Это довольно интересный вопрос.
С одной стороны, структуры в C# есть. Но они очень похожи на классы: у них тоже есть конструкторы — деструкторы, методы. Не надо заботиться об инициализации полей структур — .NET не забудет это сделать.
Единственная разница, которая приходит в голову — что поля структуры нельзя инициализировать в момент объявления.
И что при создании экземпляра структуры new не нужен, достаточно простого объявления вида
Главное отличие структур от классов — в реализации. Любой экземпляр класса создаётся в "куче" (heap) (потому, что класс — это ссылочная структура данных), а экземпляры структур создаются в стеке, как простые переменные примитивных типов.
Это приводит к тому, что активное создание — освобождение экземпляров классов даст работу garbage collector, а экземпляров структур — нет. В целом, счтруктуры нужны там, где производительность на первом месте, и данных "не очень много".
Некоторые преимущества структур, которые проявлялись в C/C++: можно было напрямую записывать "набор байтов длииной со структуру" в бинарный файл — и это было сохранение значения структуры в файле! безо всяких сериализаций. А потом точно такое же считывание. Или — передача по сети.
В комментариях мне подсказывают, что такие же возможности есть и в C#, но использовать их сложнее, чем в C++.
Если я найду примеры такого использования — я постараюсь дополнить этот ответ.
Структуры
Мир вокруг можно моделировать различными способами. Самым естественным из них является представление о нём, как о наборе объектов. У каждого объекта есть свои свойства. Например, для человека это возраст, пол, рост, вес и т.д. Для велосипеда – тип, размер колёс, вес, материал, изготовитель и пр. Для товара в магазине – идентификационный номер, название, группа, вес, цена, скидка и т.д.
У классов объектов набор этих свойств одинаковый: все собаки могут быть описаны, с той или иной точностью, одинаковым набором свойств, но значения этих свойств будут разные.
Все самолёты обладают набором общих свойств в пределах одного класса. Если же нам надо более точное описание, то можно выделить подклассы: самолёт амфибии, боевые истребители, пассажирские лайнеры – и в пределах уже этих классов описывать объекты. Например, нам необходимо хранить информацию о сотрудниках компании. Каждый сотрудник, в общем, обладает большим количеством разных свойств. Мы выберем только те, которые нас интересуют для решения прикладной задачи: пол, имя, фамилия, возраст, идентификационный номер. Для работы с таким объектом нам необходима конструкция, которая бы могла агрегировать различные типы данных под одним именем. Для этих целей в си используются структуры.
Объявление структуры
Синтаксис объявления структуры
Полями структуры могут быть любые объявленные типы, кроме самой структуры этого же типа, но можно хранить указатель на структуру этого типа:
В том случае, если несколько полей имеют один тип, то их можно перечислить через запятую:
После того, как мы объявили структуру, можно создавать переменную такого типа с использованием служебного слова struct. Доступ до полей структуры осуществляется с помощью операции точка:
Структура, объявленная в глобальном контексте, видна всем. Структура также может быть объявлена внутри функции:
Можно упростить пример: синтаксис языка позволяет создавать экземпляры структуры сразу же после определения:
Структура также может быть анонимной. Тогда мы не сможем использовать имя структуры в дальнейшем.
В этом примере мы создали переменную A. Она является структурой с двумя полями.
Начальная инициализация структур
Структуру можно инициализировать во время создания как массив. Поля в этом случае будут присваиваться по порядку.
Замечание: таким образом можно только иницализировать структуру. Присваивать значение всей структуре таким образом нельзя.
Современный стандарт си позволяет инициализировать поля структуры по имени. Для этого используется следующий синтакис:
Определение нового типа
Когда мы определяем новую структуру с помощью служебного слова struct, в пространстве имён структур (оно не имеет ничего общего с пространствами имён С++) создаётся новый идентификатор. Для доступа к нему необходимо использовать служебное слово struct. Можно определить новый тип с помощью служебного слова typedef. Тогда будет создан псевдоним для нашей структуры, видимый в глобальном контексте.
Теперь при работе с типом Point нет необходимости каждый раз писать слово struct. Два объявления можно объединить в одно
Замечание. Если мы создаём новый тип-структуру, полем которого является указатель на этот же тип, то его необходимо объявлять явно с использованием служебного слова struct
Указатели на структуру
Указатель на структуру создаётся как обычно. Отличие заключается в том, что можно обращаться к полям структуры через указатель с помощью операции «стрелка» (минус + больше). Пример – пользователь вводит число – размер массива пользователей. Поле этого вводит для каждого из них логин и пароль. Третье поле — идентификатор – задаётся автоматически. После этого все пользователи выводятся на экран.
Обратите внимание на удаление массива структур: при удалении экземпляра структуры он не удаляет своих полей самостоятельно, поэтому необходимо сначала удалять поля, после этого удалять сам массив.
При вызове функции jsonUser мы передаём указатель на экземпляр структуры, поэтому внутри функции доступ до полей осуществляется с помощью оператора стрелка.
Устройство структуры в памяти
Поля структуры расположены в памяти друг за другом. Тип поля определяет сдвиг относительно предыдущего поля. Имя поля — это сдвиг относительно адреса экземпляра. На самом деле размер структуры не всегда равен сумме размеров её полей: это связано с тем, что компилятор оптимизирует расположение структуры в памяти и может поля небольшого размера подгонять до чётных адресов.
Первая структура должна иметь размер 6 байт, вторая 8 байт, третья 7 байт, однако на 32-разрядной машине компилятор VC сделает их все три равными 8 байт. Стандарт гарантирует, что поля расположены друг за другом, но не гарантирует, что непрерывно.
Есть возможность изменить упаковку структур в памяти. Можно явно указать компилятору каким образом производить упаковку полей структуры, объединений или полей класса. Каким образом это делать, зависит от компилятора. Один из самых распространённых способов прагма pack()
У неё есть несколько разновидностей, рассмотрим только одну. pragma pack(n) указывает значение в байтах, используемое для упаковки. Если параметр компилятора не заданы для модуля значения по умолчанию n 8. Допустимыми значениями являются 1, 2, 4, 8 и 16. Выравнивание поля происходит по адресу, кратному n или сумме нескольких полей объекта, в зависимости от того, какая из этих величин меньше.
Использование #pragma pack не приветствуется: логика работы программы не должна зависить от внутреннего представления структуры (если, конечно, вы не занимаетесь системным программированием или ломаете чужие программы и сети).
Приведение типов
Стандартом поведение при приведении одной структуры к другой не определено. Это значит, что даже если структуры имеют одинаковые поля, то нельзя явно кастовать одну структуру до другой.
Этот пример работает, но это хак, которого необходимо избегать. Правильно писать так
Привести массив к структуре (или любому другому типу) по стандарту также невозможно (хотя в различных компиляторах есть для этого инструменты).
Но в си возможно всё.
Но запомните, что в данном случае поведение не определено.
Вложенные структуры
Структура сама может являться полем структуры. Пример: структура Model – модель автомобиля, имеет название, номер, год выпуска и поле Make, которое в свою очередь хранит номер марки и её название.
Вложенные структуры инициализируются как многомерные массивы. В предыдущем примере можно произвести начальную инициализацию следующим образом:
P.S. подобным образом инициализировать строки не стоит, здесь так сделано только для того, чтобы упростить код.
Указатели на поля структуры и на вложенные структуры
Указатели на поля структуры определяются также, как и обычные указатели. Указатели на вложенные структуры возможны только тогда, когда структура определена. Немного переделаем предыдущий пример: «деанонимизируем» вложенную безымянную структуру и возьмём указатели на поля структуры Model:
Как уже говорилось ранее, в си, даже если у двух структур совпадают поля, но структуры имеют разные имена, то их нельзя приводить к одному типу. Поэтому приходится избавляться от анонимных вложенных структур, если на них нужно взять указатель. Можно попытаться взять указатель типа char* на поле структуры, но нет гарантии, что поля будут расположены непрерывно.
Примеры
1. Стек, реализованный с помощью структуры «Узел», которая хранит значение (в нашем примере типа int) и указатель на следующий узел. Это неэффективная реализация, которая требует удаления и выделения памяти под узел при каждом вызове операции push и pop.
2. Реализуем структуру — массив, и некоторые операции для работы с массивами. Тип массива зададим макроподстановкой.
3. Структура Линия, состоит из двух структур точек. Для краткости реализуем только пару операций
Обратите внимание на операции создания и копирования линии. Обязательно нужно копировать содержимое, иначе при изменении или удалении объектов, которые мы получили в качестве аргументов, наша линия также изменится. Если структура содержит другие структуры в качестве полей, то необходимо проводить копирование содержимого всех полей. Глубокое копирование позволяет избежать неявных зависимостей.
4. Структура комплексное число и функции для работы с ней.
5. Биномиальная куча и сортировка на куче
Всё ещё не понятно? – пиши вопросы на ящик