Книга: C# 4.0: полное руководство

Структуры

Структуры

Как вам должно быть уже известно, классы относятся к ссылочным типам данных. Это означает, что объекты конкретного класса доступны по ссылке, в отличие от значений простых типов, доступных непосредственно. Но иногда прямой доступ к oбъектам как к значениям простых типов оказывается полезно иметь, например, ради повышения эффективности программы. Ведь каждый доступ к объектам (даже самым мелким) по ссылке связан с дополнительными издержками на расход вычислительных ресурсов и оперативной памяти. Для разрешения подобных затруднений в C# предусмотрена структура, которая подобна классу, но относится к типу значения, а не к ссылочному типу данных.

Структуры объявляются с помощью ключевого слова struct и с точки зрения синтаксиса подобны классам. Ниже приведена общая форма объявления структуры:

struct имя : интерфейсы {
// объявления членов
}

где имя обозначает конкретное имя структуры.

Одни структуры не могут наследовать другие структуры и классы или служить в качестве базовых для других структур и классов. (Разумеется, структуры, как и все остальные типы данных в С#, наследуют класс object.) Тем не менее в структуре можно реализовать один или несколько интерфейсов, которые указываются после имени структуры списком через запятую. Как и у классов, у каждой структуры имеются свои члены: методы, поля, индексаторы, свойства, операторные методы и события. В структурах допускается также определять конструкторы, но не деструкторы. В то же время для структуры нельзя определить конструктор, используемый по умолчанию (т.е. конструктор без параметров). Дело в том, что конструктор, вызываемый по умолчанию, определяется для всех структур автоматически и не подлежит изменению. Такой конструктор инициализирует поля структуры значениями, задаваемыми по умолчанию. А поскольку структуры не поддерживают наследование, то их члены нельзя указывать как abstract, virtual или protected.

Объект структуры может быть создан с помощью оператора new таким же образом, как и объект класса, но в этом нет особой необходимости. Ведь когда используется оператор new, то вызывается конструктор, используемый по умолчанию. А когда этот оператор не используется, объект по-прежнему создается, хотя и не инициализируется. В этом случае инициализацию любых членов структуры придется выполнить вручную.

В приведенном ниже примере программы демонстрируется применение структуры для хранения информации о книге.

// Продемонстрировать применение структуры.
using System;
// Определить структуру,
struct Book {
  public string Author;
  public string Title;
  public int Copyright;
  public Book(string a, string t, int c) {
    Author = a;
    Title = t;
    Copyright = c;
  }
}
// Продемонстрировать применение структуры Book,
class StructDemo {
  static void Main() {
    Book bookl = new Book("Герберт Шилдт",
             "Полный справочник ho C# 4.0",

2010); // вызов явно заданного конструктора

    Book book2 = new Book(); // вызов конструктора по умолчанию

    Book bоокЗ; // конструктор не вызывается

    Console.WriteLine(bookl.Author + ", " +
           bookl.Title + ", (c) " + bookl.Copyright);
    Console.WriteLine();
    if (book2.Title == null)
      Console.WriteLine("Член book2.Title пуст.");
    // А теперь ввести информацию в структуру book2.
    book2.Title = "О дивный новый мир";
    book2.Author = "Олдос Хаксли";
    book2.Copyright = 1932;
    Console.Write("Структура book2 теперь содержит:n");
    Console.WriteLine(book2.Author + ", " +
    book2.Title + ", (c) " + book2.Copyright);
    Console.WriteLine() ;
    // Console.WriteLine(bоокЗ.Title); // неверно, этот член структуры
           // нужно сначала инициализировать
    bоокЗ.Title = "Красный шторм";
    Console.WriteLine(bоокЗ.Title); // теперь верно
  }
}

При выполнении этой программы получается следующий результат.

Герберт Шилдт, Полный справочник по C# 4.0, (с) 2010
Член book2.Title пуст.
Структура bоок2 теперь содержит:
Олдос Хаксли, О дивный новый мир, (с) 1932
Красный шторм

Как демонстрирует приведенный выше пример программы, структура может быть инициализирована с помощью оператора new для вызова конструктора или же путем простого объявления объекта. Так, если используется оператор new, то поля структуры инициализируются конструктором, вызываемым по умолчанию (в этом случае во всех полях устанавливается задаваемое по умолчанию значение), или же конструктором, определяемым пользователем. А если оператор new не используется, как это имеет место для структуры bоокЗ, то объект структуры не инициализируется, а его поля должны быть установлены вручную перед тем, как пользоваться данным объектом.

Когда одна структура присваивается другой, создается копия ее объекта. В этом заключается одно из главных отличий структуры от класса. Как пояснялось ранее в этой книге, когда ссылка на один класс присваивается ссылке на другой класс, в итоге ссылка в левой части оператора присваивания указывает на тот же самый объект, что и ссылка в правой его части. А когда переменная одной структуры присваивается переменной другой структуры, создается копия объекта структуры из правой части оператора присваивания. Рассмотрим в качестве примера следующую программу.

// Скопировать структуру.
using System;
// Определить структуру,
struct MyStruct {
  public int x;
}
// Продемонстрировать присваивание структуры,
class StructAssignment {
  static void Main() {
    MyStruct a;
    MyStruct b;
    a.x = 10;
    b.x = 20;
    Console.WriteLine("a.x {0}, b.x {1}", a.x, b.x);
    a = b;
    b.x = 30;
    Console.WriteLine("a.x {0}, b.x {1}", a.x, b.x);
  }
}

Вот к какому результату приводит выполнение этой программы.

а.х 10, b.x 20 а.х 20, b.x 30

Как показывает приведенный выше результат, после присваивания

а = b;

переменные структуры а и b по-прежнему остаются совершенно обособленными, т.е. переменная а не указывает на переменную b и никак не связана с ней, помимо того, что она содержит копию значения переменной b. Ситуация была бы совсем иной, если бы переменные а и b были ссылочного типа, указывая на объекты определенного класса. В качестве примера ниже приведен вариант предыдущей программы, где демонстрируется присваивание переменных ссылки на объекты определенного класса.

// Использовать ссылки на объекты определенного класса,
using System;
// Создать класс,
class MyClass {
  public int x;
}
// Показать присваивание разных объектов данного класса,
class ClassAssignment {
  static void Main() {
    MyClass a = new MyClass();
    MyClass b = new MyClass();
    a.x = 10;
    b.x = 20;
    Console.WriteLine("a.x {0}, b.x {1}", a.x, b.x);
    a = b;
    b.x = 30;
    Console.WriteLine("а.х {0}, b.x {1}", a.x, b.x);
  }
}

Выполнение этой программы приводит к следующему результату.

а.х 10, b.х 20 а.х 30, b.х 30

Как видите, после того как переменная b будет присвоена переменной а, обе переменные станут указывать на один и тот же объект, т.е. на тот объект, на который первоначально указывала переменная b.

В связи с изложенным выше возникает резонный вопрос: зачем в C# включена структура, если она обладает более скромными возможностями, чем класс? Ответ на этот вопрос заключается в повышении эффективности и производительности программ. Структуры относятся к типам значений, и поэтому ими можно оперировать непосредственно, а не по ссылке. Следовательно, для работы со структурой вообще не требуется переменная ссылочного типа, а это означает в ряде случаев существенную экономию оперативной памяти. Более того, работа со структурой не приводит к ухудшению производительности, столь характерному для обращения к объекту класса. Ведь доступ к структуре осуществляется непосредственно, а к объектам — по ссылке, поскольку классы относятся к данным ссылочного типа. Косвенный характер доступа к объектам подразумевает дополнительные издержки вычислительных ресурсов на каждый такой доступ, тогда как обращение к структурам не влечет за собой подобные издержки. И вообще, если нужно просто сохранить группу связанных вместе данных, не требующих наследования и обращения по ссылке, то с точки зрения производительности для них лучше выбрать структуру.

Ниже приведен еще один пример, демонстрирующий применение структуры на практике. В этом примере из области электронной коммерции имитируется запись транзакции. Каждая такая транзакция включает в себя заголовок пакета, содержащий номер и длину пакета. После заголовка следует номер счета и сумма транзакции. Заголовок пакета представляет собой самостоятельную единицу информации, и поэтому он организуется в отдельную структуру, которая затем используется для создания записи транзакции или же информационного пакета любого другого типа.

// Структуры удобны для группирования
// небольших объемов данных,
using System;
// Определить структуру пакета,
struct PacketHeader {
  public uint PackNum; // номер пакета
  public ushort PackLen; // длина пакета
}
// Использовать структуру PacketHeader
// для создания записи транзакции
// в сфере электронной коммерции,
class Transaction {
  static uint transacNum = 0;
  PacketHeader ph; // ввести структуру PacketHeader
  // в класс Transaction
  string accountNum;
  double amount;
  public Transaction(string acc, double val) {
    // создать заголовок пакета
    ph.PackNum = transacNum++;
    ph.PackLen =512; // произвольная длина
    accountNum = acc; amount = val;
  }
  // Сымитировать транзакцию,
  public void sendTransaction() {
    Console.WriteLine("Пакет #: " + ph.PackNum +
           ", Длина: " + ph.PackLen +
           ",n Счет #: " + accountNum +
          ", Сумма: {0:C}n", amount);
  }
}
// Продемонстрировать применение структуры
// в виде пакета транзакции,
class PacketDemo {
  static void Main() {
    Transaction t = new Transaction("31243", -100.12);
    Transaction t2 = new Transaction("AB4655", 345.25);
    Transaction t3 = new Transaction ("8475-09", 9800.00);
    t.sendTransaction();
    t2.sendTransaction();
    t3.sendTransaction();
  }
}

Вот к какому результату может привести выполнение этого кода.

Пакет #: 0, Длина: 512,
    Счет #:31243, Сумма: $100.12
Пакет #: 1, Длина: 512,
    Счет #: AB4655, Сумма: $354.25
Пакет #: 2, Длина: 512,
    Счет #: 8475-09, Сумма: $9,800.00

Структура PacketHeader оказывается вполне пригодной для формирования заголовка пакета транзакции, поскольку в ней хранится очень небольшое количество данных, не используется наследование и даже не содержатся методы. Кроме того, работа со структурой PacketHeader не влечет за собой никаких дополнительных издержек, связанных со ссылками на объекты, что весьма характерно для класса. Следовательно, структуру PacketHeader можно использовать для записи любой транзакции, не снижая эффективность данного процесса.

Любопытно, что в C++ также имеются структуры и используется ключевое слово struct. Но эти структуры отличаются от тех, что имеются в С#. Так, в C++ структура относится к типу класса, а значит, структура и класс в этом языке практически равноценны и отличаются друг от друга лишь доступом по умолчанию к их членам, которые оказываются закрытыми для класса и открытыми для структуры. А в C# структура относится к типу значения, тогда как класс — к ссылочному типу.

Оглавление книги