Структури

3.4. Структури

Поряд із класами структури представляють ще один спосіб створення власних типів даних у C#. Більше того, багато примітивних типів — int, double, bool та інші — по суті є структурами, визначеними в стандартній бібліотеці .NET. Це не випадково: структури оптимізовані для зберігання невеликих, семантично цілісних наборів даних, які логічно утворюють одне значення. Наприклад, показник артеріального тиску складається з двох чисел — систолічного і діастолічного — і не має сенсу розглядати їх окремо. Саме такі дані найкраще представляти структурою.

Ключова відмінність структури від класу полягає в тому, що структура є типом значення (value type), а клас — типом посилання (reference type). Детально про цю різницю йтиметься у розділі 3.5, але вже зараз важливо розуміти: при копіюванні структури створюється повністю незалежна копія, тоді як при копіюванні посилання на клас обидві змінні вказують на один і той самий об'єкт у пам'яті.

Визначення структури

Для визначення структури застосовується ключове слово struct:

struct ім'я_структури
{
    // Елементи структури
}

Після слова struct йде назва структури і далі у фігурних дужках розміщуються елементи структури — поля, методи тощо. Як і класи, структури можуть зберігати стан як поля (змінні) і визначати поведінку як методи. Наприклад, визначимо структуру BloodPressure, яка представляє показник артеріального тиску пацієнта:

struct BloodPressure
{
    public int systolic;   // систолічний тиск (верхній)
    public int diastolic;  // діастолічний тиск (нижній)

    public void Print()
    {
        Console.WriteLine($"Тиск: {systolic}/{diastolic} мм рт. ст.");
    }
}

Тут визначено два поля для зберігання показників тиску та метод Print для виведення результату на консоль. Для звернення до полів і методів структури застосовується точкова нотація — так само, як і для класів:

об'єкт.поле_структури
об'єкт.метод_структури(параметри)

Створення об'єкта структури

Ініціалізація за допомогою конструктора

Для використання структури її необхідно ініціалізувати. Як і у випадку класів, для створення об'єктів структури застосовується виклик конструктора з оператором new. Навіть якщо в коді структури не визначено жодного конструктора, вона має щонайменше один — конструктор за замовчуванням, який генерується компілятором. Він не приймає параметрів і створює об'єкт зі значеннями за замовчуванням: 0 для числових полів і null для рядків.

Безпосередня ініціалізація полів

Якщо всі поля структури мають модифікатор public, структуру можна ініціалізувати без виклику конструктора — просто оголосивши змінну і надавши значення всім полям вручну перед першим використанням. Компілятор вимагає, щоб усі поля були заповнені до звернення до будь-якого з них або до методів структури. Якщо хоч одне поле залишиться неініціалізованим, компілятор видасть помилку.

Ініціалізація полів за замовчуванням

Починаючи з C# 10, поля структури можна ініціалізувати безпосередньо при їх визначенні — так само, як у класі. До C# 10 це було заборонено. Якщо ви використовуєте такі значення за замовчуванням, необхідно явно визначити й викликати конструктор без параметрів:

Конструктори структури

Як і клас, структура може визначати власні конструктори з параметрами. Це дозволяє ініціалізувати об'єкт у момент створення, не заповнюючи поля вручну після new. Починаючи з C# 10, дозволено також визначати конструктор без параметрів явно:

Варто зазначити: якщо в структурі є конструктор із параметрами, але немає явного конструктора без параметрів, то при виклику new() (без аргументів) все одно використовується автоматичний конструктор за замовчуванням — він встановлює всі поля в 0/null, ігноруючи будь-які значення за замовчуванням, визначені в полях.

Конструктори структури можна також будувати в ланцюжок через this(...) — за тими самими правилами, що й для класів. Починаючи з C# 11, конструктор структури не зобов'язаний ініціалізувати всі поля явно, якщо ланцюжок гарантує їх заповнення:

Ініціалізатор структури

Так само, як і для класу, можна використовувати синтаксис ініціалізатора для створення об'єкта структури. При цьому спочатку викликається конструктор без параметрів (явний або автоматичний), а потім вказаним полям надаються задані значення:

Копіювання структури за допомогою `with`

Коли потрібно створити новий об'єкт структури на основі існуючого, змінивши лише окремі поля, зручно використовувати оператор with. Він створює копію структури і застосовує до неї вказані зміни, не торкаючись оригіналу:

Тут об'єкт elevated отримує всі значення від initial, але з іншим систолічним тиском. Об'єкт crisis також базується на initial, але змінені обидва поля. При цьому initial лишається незмінним — оператор with ніколи не модифікує оригінал.

Struct як тип значення: copy semantics

Саме тут проявляється принципова відмінність структури від класу. Коли ми присвоюємо одну структуру іншій, C# копіює всі поля — виникає два повністю незалежних об'єкти. Зміна одного не впливає на інший:

Якби BloodPressure було класом, обидві змінні вказували б на один і той самий об'єкт у пам'яті — зміна bp2.systolic змінила б і bp1.systolic. Зі структурою цього не відбувається.

Незмінна структура: readonly struct

Якщо структура представляє дані, які не повинні змінюватись після створення — наприклад, зафіксований результат вимірювання — її варто оголосити як readonly struct. Компілятор заборонить будь-які присвоювання полям поза конструктором, що унеможливлює випадкову мутацію.

readonly struct має перевагу з точки зору продуктивності: компілятор знає, що об'єкт незмінний, і може передавати його ефективніше — без зайвих копій при передачі між методами.

Record struct (C# 10)

C# 10 додав синтаксис record struct — структура з автоматично згенерованими Equals, GetHashCode, ToString і підтримкою оператора with. Оголошується схоже на первинний конструктор:

На відміну від звичайної структури, record struct автоматично реалізує порівняння за значенням: bp1 == bp3 повертає true, бо всі поля збігаються. ToString() автоматично повертає BloodPressure { systolic = 120, diastolic = 80 } — зручно для відлагодження. record struct — оптимальний вибір для невеликих незмінних моделей даних, де потрібне структурне порівняння без написання шаблонного коду вручну.